第2章 LED应用基本知识与LED应用常见故障

2.1 LED应用线路设计

1. LED在线路中的排列方式

在LED设计应用电路中，设计PCB线路时应根据LED特性，合理选择LED排列方式。对于TOP LED，在柔性PCB的应用中，由于柔性软灯条在作业或使用过程中无法避免弯折、卷曲、拉伸的情形，一般情况下都采用横向排列方式。主要是因为LED内部线路（金线焊接位置）走向与软性PCB延展方向一致，其生产、焊接、使用的过程中产生的内应力释放将直接作用于LED，增加LED死灯的概率，故LED应用于柔性PCB产品的线路设计中，应考虑此项因素带来的影响，要选择竖向排列。竖向排列的LED示意图如图2-1所示。

说明 特别针对类似4008、5730等引脚式的TOP LED，用于软性PCB场合时，应避免采用横向排列方式。

TOP LED元件如应用于硬性PCB（如FR4、铝基板），也应优先选择竖向排列方式。由于应用产品的实际设计中需要考虑美观、发光曲线等需要，故某些应用场合也会采用横向排列方式，如图2-2所示。在生产组装、成品安装过程进行硬性PCB翘曲程度进行一定管控，如图2-3所示。

说明 LED应用产品常规的布线方式是焊盘与PCB走向应保持垂直状态，以减小PCB在弯折时产生的外力拉伸作用下对LED金线的影响。在进行PCB布线设计时，主要针对软性线路板，以及0.5T（T为厚度）以下的板材，焊盘走向应与PCB延展方向保持垂直，可避免组装和使用过程中在外力作用下，造成大量表面贴装器件内部线路开路。

2. LED串并联使用须知

在LED应用产品中，必须对LED进行一定的电路设计。一般情况下，要根据驱动电压的不同选择不同的串并联组合方式，同时应充分了解LED的电、热学特性，以确保LED产品长期可靠工作。为降低串联线路中单灯故障对整条电路带来的风险，应尽量减少串联支路中串联LED的个数。在单灯应用场合，尽量采用并联模式。并联模式LED灯尽量采用恒压供电模式。在实际工作中，应评估各LED的伏安曲线的差异及光强产生的不同步变化带来的影响，并采取措施平衡各单灯之间的电流值。LED连接方式的优、缺点如表2-1所示。

说明

（1）串联方式中任意一个LED出现开路状态时（可能是品质不良或其他故障），所有LED都会不亮。解决办法是在每个LED两端并联一个齐纳二极管（稳压管）。在实际工作选择齐纳二极管（稳压管）时，其击穿电压要比LED的导通电压高。此方案在LED的数量多时不宜采用。

（2）当选择LED的VF 一致性差时，通过每个LED的电流大小不一致会造成LED的亮度有明显差异。这是由于LED制造技术的限制，这种差异是不可避免的。因此并联方式选择LED时，要求LED的VF一致性好，在实际设计中，一般不采用直接并联的方式。

由于现在LED都是采用恒流进行驱动，由于输出电流保持不变，当某一个LED断路时，分配给剩余LED的电流将会增大，可能导致剩余LED损坏，解决办法是尽可能多地并联LED。LED以并联方式连接时，建议选用恒压电源（开关电源）进行驱动。

（3）LED以混联的方式连接时，要求LED数量平均分配，其分配在同一串LED上的电压相同，流过同一串每个LED上的电流也基本相同（流过每串LED的电流也大致相同），LED亮度也大致相同。混联方式连接的LED，故障形式多表现为LED断路。混联的连接方式对LED的参数要求较宽且适用范围大，是目前LED照明电路设计中最多采用的连接方式。

（4）LED以交叉阵列的方式连接，其中任意一个LED因品质不良短路，在刚刚发生短路时，与发生短路LED并联的一组LED将全部不亮。因驱动电源输出电流保持不变，所有输出电流都将加载到短路LED上，会将LED的器件内部的键合金丝或其他部分烧毁变成断路（开路）。由于断路（开路）LED对整个阵列电流的分配影响较小，交叉阵列连接方式中断路（开路）LED将不亮，对整个电路性能影响极小，整个电路仍可以正常工作。

2.2 LED清洗方法

1. SMD LED的清洗方法

SMD LED的清洗过程中，要避免使用不明化学液体或酸性溶剂作为清洗液，在使用清洁溶剂前（如PCB常用的清洁溶剂洗板水），要确认清洁溶剂所含化学成分是否会对环氧树脂、有机硅、硅树脂、支架镀银层等造成腐蚀，是否会导致SMD LED特性改变或损坏其功能。

通常推荐使用清洁溶剂为酒精（乙醇），常作为SMD LED清洁溶剂。使用时先用无纺布（电子产品专用）蘸取适量酒精将灯体表面的杂质轻轻擦拭，擦拭过程中防止用力过度擦伤封装胶体或破坏灯体内部结构，擦拭干净后放置在常温下自然干燥，然后开始使用。在使用过程应避免将SMD LED浸渍于酒精溶液中。

说明 SMD LED又分CHIP、TOP、SIDEVIEW等封装形式。

2. 大功率LED（HIGH-POWER LED）的清洗方法

在产品生产组装过程中，应尽量避免将助焊剂、防水封装胶、粘接胶、油污等异物附着在大功率LED透镜、MOLDING硅胶体表面，清洁大功率LED灯体时，可用干净的无尘布（或软质棉纱布）轻轻擦拭脏污部位。如果仅使用干净的无尘布（或软质棉纱布）难以擦除脏污，则可以用干净的无尘布（或软质棉纱布）蘸取适量酒精轻力擦除异物。在生产应用过程中，应避免使用不明化学液体或酸性溶剂作为清洁剂，以免对LED器件造成腐蚀破坏或对大功率LED产生永久性的损毁。

注意 酒精在使用过程中会挥发，容易造成透镜表面模糊，对较难擦除的大功率LED表面的脏污，酒精用量应尽可能少。

3. 直插式LED（LAMP LED）的清洗方法

直插式LED的清洗推荐使用酒精（乙醇）作为清洗的溶剂，在使用其他溶剂之前，要确定该溶剂是否会溶解环氧树脂。按照相关的国际标准，直插式LED的清洗溶剂中不能有含氟利昂（又称为氟氯烃，英文名称Freon）的任何溶剂；也不可使用超声波仪器清洁直插式LED。如在特殊环境下，必须使用超声波仪器清洁直插式LED，要特别注意超声波功率（最大功率不能超过300W）等参数，具体事项可以咨询直插式LED生产企业。

用化学品清洗直插式LED胶体时必须特别注意、特别小心，因有些化学品（三氯乙烯、丙酮等）对直插式LED胶体表面会产生损伤并容易引起褪色。这种情况下，可用酒精（乙醇）擦拭、浸渍，在常温下时间控制在3min内。

说明 常用的氟利昂制冷剂有R12、R22、R502、R123及R134a。

2.3 LED组装方式

1. 作业前的准备工作

整个工序（生产或组装、测试、包装等）中所有与LED直接接触的员工都要做好防止和消除静电措施，正式生产前需做以下动作：

检查焊接设备、工作台接地线是否正常，接地电阻是否符合规定。

检查人员佩戴有线的防静电手环是否正常，确认有线的防静电手环的金属是否与人的皮肤接触紧密，并良好接地。

在作业时最好要求作业员戴好静电手套或静电手指套。

作业台面要求铺好静电胶布，胶布之间应互相连接接地。

检查测试仪器、驱动电源是否存在漏电或静电荷释放的情形。

检查焊接设备参数，测试电源输出是否调试在合格状态。

检查地板防静电措施是否良好。

2. 车间环境及物料安全的管控

（1）车间环境温度最好保证在30°C以下，湿度在40%～ 60% RH范围内（可用指针式干湿温度表监测环境湿温度变化），作业接触LED时，必须戴白手套或手指套，包装袋开口后应及时封口，防止引脚（脚位）氧化。

（2）尽量避免LED暴露在偏酸性（pH<7）的环境中，对于采购的其他公司LED组装配套的物料，尽量要求生产厂家提供原物料的MSDS报告（物质安全数据表），确认其中是否含硫、卤素类物质，以防止其与LED材料发生化学或物理反应，从而导致LED光电性能失效。

（3）TOPLED白光产品的防硫化问题。目前，TOPLED白光系列产品由于性价比高、光衰小，普遍作为LED灯具的首选光源。针对照明用白光LED对原物料散热性能的高要求，LED封装行业内主要采用高分子有机硅（硅胶）取代传统的环氧树脂来作为照明用白光LED的外封胶，由于硅胶本身具有高度的透湿透氧特性，当用硅胶工艺封装的白光LED接触到含硫物质时，硫元素极易渗透到支架功能区，与支架镀银发生化学反应。

通常LED发生硫化的环节基本在应用产品贴装、回流焊接完成后，放置一段时间才逐渐发现。硫化后的LED表现为支架功能区黑化，如图2-4所示。硫化后的LED光通量严重下降，色温出现漂移（色温升高）。

说明 LED的硫化是由于环境中的硫（S2 -）元素通过渗透进入LED支架内部，在一定温、湿度条件下（热量促使分子运动加剧），-2价的硫与 +1价的银发生化学反应生成黑色Ag2 S的过程。

说明

（1）回流焊回来的LED包装不能用橡皮筋包扎。目前含有硫物质的物料有PCB板材、橡胶手套、橡皮筋、硫黄香皂、玻璃胶、低端的双组分树脂胶。

（2）PCB在刮锡膏前，以及回流焊接之后，要先对焊盘、露铜部位、焊点等位置进行表面清洁处理，可以消除或降低PCB表面残硫对LED的危害。

（3）LED元件、LED产品避免与含硫、氧化性物质存放于同一空间环境。

（4）TOP LED白光产品未经密封处理，应避免在酸性环境下工作。

（5）TOP LED白光产品应避免在酸性环境下（pH <7）使用，不可接触到酸性防水胶、酸性热熔接剂。

在生产过程中，下面情形不仅会影响LED产品的发光质量，而且直接影响LED的使用寿命：

LED封装本身不严密，使潮气进入内部产生锈蚀。

在焊接或装配过程中，接触某种化学材料产生化学反应。

焊接后的电线引线或焊点、焊盘清除不彻底。

串接在电路中的限流电阻阻值过小。

固定电路板的螺钉孔离铜箔走线及焊盘太近，导致装配螺钉偏离孔时极易与铜箔走线及焊盘接触。

用不适当的方式固定电源线，在外部震动力作用下会使电源引线焊点松动或焊盘与印制板脱离。

3. 不同材料（LED）取拿及脚位加工方式

1）不同材料（LED）取拿

TOP LED取拿如图2-5所示。

大功率LED取拿如图2-6所示。

LED或LED组件堆放如图2-7所示。

堆放焊有LED的PCB或组件时不可使LED透镜受压，透镜上方至少有2cm的空隙。

2）脚位加工方式 在生产组装过程中，需要对直插式LED进行脚位加工。直插式LED的类型比较多，有的尺寸较小、胶体较薄，对尺寸较大、支架较宽的LED尽量避免进行折弯，如果工艺需要对直插式LED脚位进行折弯整形，则必须采用治具（工装夹具）来辅助整形，以减少应力释放造成的直插式LED内部结构受损，从而降低死灯概率。

直插式LED引脚成形要求如下：

直插式LED引脚成形（弯脚、剪脚）位置必须距离胶体2mm以上才能折弯支架; 食人鱼引脚成形（弯脚、剪脚）位置保持在卡点以下，如图2-8所示。

LED引脚成形必须在焊接前完成。

LED引脚成形时，不可对树脂施加压力。

直插式LED置于高温环境时，请勿对引脚整形。

支架成形必须用专用夹具或由专业人员来完成。

支架成形需保证引脚的间距与线路板上一致。

3）直插式LED组装

注意各类器件在PCB上的引线排列，以防极性装反。

LED组装于PCB上时，注意LED引脚间距必须与PCB孔间距吻合（根据LED引脚间距来制作LED的封装），LED组装过程中，要避免LED引脚受力过大，在引脚变形的情况下，不能强制安装LED。

安装LED位置不合适时，推荐用导套（LED灯座/LED脚套/LED间隔柱）定位，如图2-9所示。

LED器件要避免与发热元件安装在一起，如果因实际要求又要靠得太近，其工作条件不要超过LED所承受的极限。

LED在焊接后，灯体温度在回到常温状态以前，必须避免使LED受到任何的外力或震动。

说明 任何不当操作均有导致LED内部结构受损，出现死灯的可能。

2.4 LED应用须知与常见故障（失效）

1. LED应用须知

（1）LED是恒流型元件，在使用过程中避免用恒定电压方式点亮LED。在单灯并联设计电路中，应保持各单个LED灯驱动电流值恒定，否则会使单个LED产生颜色、亮度不一致的情况。当环境温度升高时，因LED结温上升使内阻减小，使LED电流升高（恒定电压），影响其寿命，严重的使LED损坏。故LED最好采用恒流源供电，以保证LED持久可靠工作。

说明 测试LED的压降、亮度、波长等参数时，普通小功率LED电流设定为20mA;0.5W大功率LED电流设定为150mA; 1W大功率LED电流设定为350mA; 3W大功率LED电流设定为700mA（具体可以参照LED规格书）。

（2）白光LED在产品应用时，按相同等级代码组装在一起，在确认颜色一致性满足使用要求的前提下，可将相邻等级连续贴装，不过应咨询生产厂家。不同进料批次同等级代码产品在进行贴装前，要用积分球测试其参数，参数一致才能进行贴装，以免产生颜色差和亮度差异。

（3）TOP LED系列白光产品，出于散热需要，LED封装行业内主要采用软硅胶封装工艺，故在将LED组装为成品时，对LED的表面进行清洁处理、灌封防水胶，安装过程中，要防止在LED封装胶体上方施加外力，以免损坏LED内部焊线结构，造成LED开路，产生死灯现象。

说明 在生产组装过程中，不对LED封装胶体进行人为的触碰或按压。

（4）在LED的设计过程中要加强对散热问题的考量，设计时采用低热阻的线路板、低热阻散热件，减小LED的放置密度，防止紫外光的直接照射。

说明 LED产品组装前，应仔细检测大功率热沉与铝基板之间，以及铝基板与灯具外壳或散热片之间接触是否良好，要将导热硅脂的厚度务必控制在100μm以下。

（5）LED产品户外应用时，要根据使用环境，做好相应IP等级，在对LED进行防水胶的灌封时，应注意胶量在LED表面的均匀性，不能覆盖LED表面，防止因胶的厚薄使产品透光率不同，造成色差现象。

说明 不同防水胶（密封胶），其硬度、透光率、折射率、黏度、散热性能、膨胀系数等物理特性，都会存在较大差异。在对LED进行防水胶的灌封时，应充分评估封胶后色温的偏移量、封胶厚度、胶量一致性及两种不同胶水的黏合能力。在实际生产中，也要采取特定工艺对封装防水胶内气泡进行消除与控制。

（6）电源驱动。

LED不允许反向驱动，因线路工作时产生的脉冲电流应远小于LED规格上限值，以避免过大脉冲电流，导致LED因EOS击穿。

说明 EOS为Electrical Over Stress的缩写，是指电气过应力，就是LED上施加的电流超过该LED datasheet中规定的最大电流。主要表现为LED器件立即失效，如接合线熔断、芯片/齐纳击穿、烧毁等，也可能在发生EOS事件后，在长期工作中才失效。

LED工作时，必须采取必要的限流措施，否则可能因轻微的电压变化而导致较大的电流变化，造成LED失效。

在光通量满足要求的前提下，尽量采用低于额定电流的驱动电流，这样可以提高LED的可靠性。

在电路设计时应考虑LED单灯最大VF 与最小VF 的差异，设置合理的驱动电流上下限，避免电流不同而产生亮度异常。

（7）点亮防护。

高亮度LED发光强度足以刺伤人的眼睛，所以在工作时应避免长时间地注视LED光源，并应采取适当防范措施，具体措施参照IEC（国际电学委员会）标准及产品标注。

LED产品广泛应用于工业与日常生活中，对一些闪光性LED产品，在使用过程中会引起人眼的不舒服，应格外注意。

（8）LED成品的安装防护。

LED成品应避免在酸性、硫浓度较高的环境下使用。

因酸性物质具有一定的腐蚀性，会造成LED封装胶体黄化，同时LED白光产品所用的荧光粉在长时间酸性环境下被酸化后将出现漂白现象，故LED成品安装时应避免使用酸性胶。

说明 不能用醋酸硅酮密封胶来粘黏固定LED成品。

LED在产品组装、防水处理过程中，也要避免接触到pH<7的酸性防水胶、酸性热焊性溶剂等。

说明 选用防水外封胶、色素等物料时，在引进新物料之前，必须要求供应商提供原料的物质安全成分表，并通过相关试验验证产品可靠性，防止存在物质间的污染。

LED产品在户外使用时，应做好接地保护，以防止漏电或雷击对产品带来的破坏。

2. LED常见故障（失效）

1）LED失效类型 LED失效类型分为灾难性失效与参数失效两种。

灾难性失效：指LED不能正常发光或者在正常驱动电流下发出微弱光的失效。

参数失效：指会导致关键特性偏离可接受范围的失效。

2）LED失效机理（模式） LED失效机理（模式）分为5种，分别如下：

封装失效：指的是支架锈蚀、连接线断裂、封装材料（固晶胶、封装胶等）结构变化（退化）、荧光粉失效等引起的失效。

芯片失效：指的是由芯片材料缺陷、电极材料劣化、PN结结构损伤、芯片电极欧姆接触不良及芯片污染等引起的失效。

电应力失效：指的是由过电流过电压冲击、过驱动、静电损伤等引起的失效。

热应力失效：指的是结温过高、恶劣环境等引起的失效。

装配失效：指的是焊接不良、装配不当等引起的失效。

3）常见LED应用失效 具体见表2-2。