全新的陶瓷方法簡(jiǎn)化LED散熱設(shè)計(jì)

　引言

　　LED的散熱問題將是限制它未來能否在市場(chǎng)上取得更大成功的主要因素。目前業(yè)界的很多研究都集中在散熱器上，但對(duì)LED和散熱表面之間的隔層研究較少。

　　不過，只要我們?cè)谠O(shè)計(jì)思路和材料使用上做出一些改變，我們就不僅可以顯著提高熱管理性能和可靠性，而且還可以得到一個(gè)更簡(jiǎn)化的系統(tǒng)。使用陶瓷作為散熱器、電路載體和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)部分，要求我們有一些全新的思考模式和意愿，來戰(zhàn)勝傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式。

　　基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的仿真過程支持熱優(yōu)化和產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計(jì)。本文將闡述理論根據(jù)、概念驗(yàn)證、以及如何最終用陶瓷散熱器實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)。

　　1 模塊優(yōu)化

　　眾所周知，LED的發(fā)光效率很高，而且還因?yàn)轶w積很小而深受設(shè)計(jì)師偏愛。但只有當(dāng)不考慮散熱管理時(shí)，它們才真的“很小”。雖然與白熾燈光源高達(dá)2500℃的工作溫度相比，LED光源溫度要低得多。因此，很多設(shè)計(jì)師最終認(rèn)識(shí)到，散熱是一個(gè)大問題。盡管LED也產(chǎn)生熱量，但它相對(duì)來說不是很高，因此散熱對(duì)LED本身來說還不是一個(gè)問題。不過，驅(qū)動(dòng)LED工作的半導(dǎo)體器件允許的工作溫度低于100℃。

　　根據(jù)能量守恒定律，熱能必須轉(zhuǎn)移到周圍區(qū)域。LED只能使用100℃熱點(diǎn)和25℃環(huán)境溫度之間的一個(gè)很小的溫度間隙，因此只提供75 Kelvin。其結(jié)果是，需要使用一個(gè)較大的表面和powerful散熱管理。

　　兩個(gè)優(yōu)化塊見圖1，Group 1是LED，它基本上是不能觸摸的。它的中心部位是一個(gè)裸片和一個(gè)散熱銅金屬塊，用于連接裸片與LED的底部。從散熱的角度看，理想的解決辦法是將裸片直接邦定到散熱器上。但從大批量生產(chǎn)的角度來看，這一想法在商業(yè)上是不現(xiàn)實(shí)的。我們將LED看作是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的不能修改的“目錄”的產(chǎn)品。它是一個(gè)黑盒子。

　　Group 2包含了散熱器，它將熱源的能量傳遞到空氣中。通常情況下，周圍的空氣是自由或強(qiáng)制對(duì)流。散熱材料越不美觀，它就越需要被隱藏起來。但你隱藏的越多，冷卻的效率也越低。與之相反，可以使用美觀和高價(jià)值的材料。這些散熱材料直接暴露在空氣中，并成為看得見的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一部分。

　　在Groups 1和Groups 2之間的是Groups 3，它提供機(jī)械連接、電氣絕緣和熱傳遞。這似乎是矛盾的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)材料同時(shí)具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。反之亦然，幾乎每一個(gè)電氣絕緣材料也是熱障材料。

　　最好的折衷辦法是將LED焊接在PCB板上，PCB再用膠水粘合到金屬散熱器上。這樣PCB作為電路板的初始功能就可以得到維持。雖然PCB存在許多不同的熱導(dǎo)率，但它們?nèi)匀皇菬徂D(zhuǎn)移的一個(gè)障礙。

　　2 散熱器選取

　　LED（裸片到散熱金屬塊）和散熱器的熱阻可以從制造商那里拿到，不過，他們有點(diǎn)偏向Group 3和它對(duì)總體散熱性能的重大影響。當(dāng)添加除LED（Group 1）以外的所有熱阻后，你就得到了總的熱阻（RTT）（見圖2）。RTT允許你對(duì)系統(tǒng)散熱性能進(jìn)行一個(gè)真實(shí)的比較。

　　通常的做法是僅優(yōu)化散熱器。目前已有數(shù)以百計(jì)的LED散熱設(shè)計(jì)，基本上都采用鋁散熱器。但如要進(jìn)一步改善散熱效果，就必須再進(jìn)一步或甚至消除Group 3。電氣隔離可通過其他材料由散熱器本身來實(shí)現(xiàn)。我們的結(jié)論是陶瓷。陶瓷（如Rubalit（氧化鋁）或Alunit（氮化鋁））同時(shí)兼?zhèn)鋬煞N關(guān)鍵的特性，即電氣隔離和導(dǎo)熱。

　　Rubalit比鋁的導(dǎo)熱性能低一些，但Alunit比鋁的導(dǎo)熱性能略高。另一方面，Rubalit比Alunit便宜（見圖3）。它們的熱擴(kuò)散系數(shù)可滿足半導(dǎo)體芯片的散熱需要。此外，它們是剛性的和耐腐蝕的，而且符合歐盟限制有害物質(zhì)指令（RoHS）。

　　簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)（無需膠水和絕緣層等），再加上高功率LED和陶瓷散熱器之間的直接和永久邦定，為整個(gè)組裝工作創(chuàng)造了一個(gè)理想的操作條件。這帶來了極出的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、安全的熱管理和高可靠性。我們已經(jīng)為這一新思路申請(qǐng)了專利，命名為CeramCool。

　　2.1 理論依據(jù)

　　CeramCool陶瓷散熱器是電路板和散熱器的一個(gè)有效結(jié)合，它可以可靠地對(duì)熱敏感元件和電路進(jìn)行冷卻。它實(shí)現(xiàn)了元件之間的直接和永久的連接。此外，陶瓷本身是電氣絕緣的，它可以通過使用金屬片提供邦定表面。如果需要，可以提供針對(duì)客戶的特定導(dǎo)體軌道結(jié)構(gòu)，即使是三維的。

　　對(duì)于功率電子應(yīng)用來說，直接銅邦定是可能的。陶瓷散熱器可以變成一個(gè)模塊基板，它可以密集地安裝LED和其它元件。它可以迅速地散掉所產(chǎn)生的熱量，又不產(chǎn)生任何障礙層。

　　2.2 新思路的驗(yàn)證

　　使用陶瓷的想法最初在好幾個(gè)仿真模型中進(jìn)行了交叉檢查。為了預(yù)測(cè)不同設(shè)計(jì)的熱性能，發(fā)明了一種基于CFD的方法。此外，還開發(fā)了一個(gè)優(yōu)化的4W LED陶瓷散熱器。開發(fā)時(shí)考慮到了制造要求。

　　優(yōu)化的幾何布局允許4W LED工作在60℃以下，已經(jīng)通過了物理測(cè)試。設(shè)計(jì)是一個(gè)方形布局（38×38×24毫米），并包含占據(jù)更大空間的更長(zhǎng)、更薄鰭。在鋁基板上的相同幾何布局可承受更高的溫度。取決于PCB的熱傳導(dǎo)性（從4W/mK到1.5W/mK），溫度會(huì)上升到6至28K之間。

　　目前，在熱點(diǎn)處的6K減少量意味著LED的壓力大幅減輕了。Rubalit組裝的總熱阻至少比鋁要好13%,在相同的布局下。使用Alunit時(shí)，CeramCool的最低改善會(huì)達(dá)到31%。如果有28K的熱降，那么這些扎實(shí)的結(jié)果很大程度上是上述兩種陶瓷表現(xiàn)極出的緣故。

　　3 解決方案

　　在本文第二部分中，我們討論了如何計(jì)算LED和散熱器的熱阻，以及如何將陶瓷進(jìn)行一物兩用。在接下來的本文第三部分，我們將討論該思路的靈活性、定制解決方案的仿真模型、現(xiàn)有燈具改造和隔離、以及改善現(xiàn)有LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分裝方法。

　　這一思路是靈活的，可用于不同的目標(biāo)。你可以選擇將LED運(yùn)行在一個(gè)最佳溫度，以確保長(zhǎng)壽命和每瓦高流明數(shù)，你也可選擇將LED運(yùn)行在一個(gè)更高的溫度，但接受更短的LED使用壽命和效率。從50℃至110℃的溫度分布是常見的。如果需要更多的流明數(shù)，5或6W LED設(shè)計(jì)可以配備4W散熱器。將如此高功率分解成數(shù)個(gè)1W功率LED,有助于改善熱量擴(kuò)散： 5W時(shí)65℃和6W時(shí)70℃（見圖4）。

　　隨著芯片永久和可靠地邦定到電氣絕緣CeramCool上，該陶瓷散熱器就承載了更多的熱量，變得更熱。它可消除LED的散熱負(fù)擔(dān)，有效地冷卻這個(gè)關(guān)鍵元件。降低的裸片溫度也允許采用更小的表面，因此陶瓷散熱器可做得更小。

　　3.1 定制解決方案的仿真模型

　　由于大多數(shù)使用CeramCool的應(yīng)用是客戶定制解決方案，因此在第一個(gè)昂貴的原型出來之前，有必要對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證。為此進(jìn)行了大量的研究來建立仿真模型。這些仿真模型已通過各種測(cè)試驗(yàn)證，并證明了與測(cè)試結(jié)果的可靠相關(guān)性?；谶@一認(rèn)識(shí)，新的思路或變化就很容易進(jìn)行評(píng)估。

　　3.2 燈具改裝和隔離

　　燈具改裝問題主要牽涉隔離。任何改裝燈必須是Class II結(jié)構(gòu)，因?yàn)槟悴荒鼙ＷC提供電氣地。這意味著任何暴露的金屬塊必須通過雙重或增強(qiáng)型絕緣與交流電源走線隔離。

　　金屬散熱器的改裝常常不能遵守這一點(diǎn)，因?yàn)樗鼈冃枰蟮木嚯x（如空中6毫米）或雙層絕緣，而這會(huì)影響散熱器正常工作。GU10 LED中集成的電子驅(qū)動(dòng)器在空間上是如此受限制，以致于該產(chǎn)品變得非常復(fù)雜。借助陶瓷散熱器，即使驅(qū)動(dòng)器完全不工作，散熱器也不會(huì)導(dǎo)通交流電，因此產(chǎn)品還是安全的。

　　CeramCool GU10 LED聚光燈可與任何LED一起工作。插座和反射器采用同一高性能陶瓷材料制造。因此，它具有安全絕緣的簡(jiǎn)單的Class II結(jié)構(gòu)。一個(gè)高壓4W LED的最高溫度只能達(dá)到60℃，既提高了LED使用壽命也增強(qiáng)了光輸出。

　　在所有CeramCool散熱器中，基板就變成了散熱器。在這里，它充當(dāng)燈甚至燈具。這種簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)提供了極高的可靠性。此外，GU10 LED聚光燈的安裝和反射器通常用不同材料制成。這一解決方案采用少得多的材料，陶瓷開發(fā)用于電氣絕緣、良好的EMC和高的機(jī)械/化學(xué)穩(wěn)定性。