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全新的陶瓷方法简化LED散热设计 字体大小：大 - 中 - 小westly发表于 11-12-14 10:53 阅读(184) 评论(0) 分类： 来源：华强LED网 引言 LED的散热问题将是限制它未来能否在市场上取得更大成功的主要因素。目前业界的很多研究都集中在散热器上，但对LED和散热表面之间的隔层研究较少。 不基于计算流体力学（CFD）的仿真过程支持热优化和产品技术设计。本文将阐述理论根据、概念验证、以及如何最终用陶瓷散热器实现这些改进。 1 模块优化 众所周知，LED的发光效率很高，而且还因为体积很小而深受设计师偏爱。但只有当不考虑散热管理时，它们才真的“很小”。虽然与白炽灯光源高达2500℃的工作温度相比，LED光源温度要低得多。因此，很多设计师最终认识到，散热是一个大问题。尽管LED也产生热量，但它相对来说不是很高，因此散热对LED本身来说还不是一个问题。不过，驱动LED工作的半导体器件允许的工作温度低于100℃。 根据能量守恒定律，热能必须转移到周围区域。LED只能使用100℃热点和25℃环境温度之间的一个很小的温度间隙，因此只提供75 Kelvin。其结果是，需要使用一个较大的表面和powerful散热管理。 两个优化块见图1，Group 1是LED，它基本上是不能触摸的。它的中心部位是一个裸片和一个散热铜金属块，用于连接裸片与LED的底部。从散热的角度看，理想的解决办法是将裸片直接邦定到散热器上。但从大批量生产的角度来看，这一想法在商业上是不现实的。我们将LED看作是一个标准化的不能修改的“目录”的产品。它是一个黑盒子。 Group 2包含了散热器，它将热源的能量传递到空气中。通常情况下，周围的空气是自由或强制对流。散热材料越不美观，它就越需要被隐藏起来。但你隐藏的越多，冷却的效率也越低。与之相反，可以使用美观和高价值的材料。这些散热材料直接暴露在空气中，并成为看得见的产品设计的一部分。 在Groups 1和Groups 2之间的是Groups 3，它提供机械连接、电气绝缘和热传递。这似乎是矛盾的，因为大多数材料同时具有良好的导热和导电性。反之亦然，几乎每一个电气绝缘材料也是热障材料。 最好的折衷办法是将LED焊接在PCB板上，PCB再用胶水粘合到金属散热器上。这样PCB作为电路板的初始功能就可以得到维持。虽然PCB存在许多不同的热导率，但它们仍然是热转移的一个障碍。 2 散热器选取 LED（裸片到散热金属块）和散热器的热阻可以从制造商那里拿到，不过，他们有点偏向Group 3和它对总体散热性能的重大影响。当添加除LED（Group 1）以外的所有热阻后，你就得到了总的热阻（RTT）（见图2）。RTT允许你对系统散热性能进行一个真实的比较。 通常的做法是仅优化散热器。目前已有数以百计的LED散热设计，基本上都采用铝散热器。但如要进一步改善散热效果，就必须再进一步或甚至消除Group 3。电气隔离可通过其他材料由散热器本身来实现。我们的结论是陶瓷。陶瓷（如Rubalit（氧化铝）或Alunit（氮化铝））同时兼备两种关键的特性，即电气隔离和导热。 Rubalit比铝的导热性能低一些，但Alunit比铝的导热性能略高。另一方面，Rubalit比Alunit便宜（见图3）。它们的热扩散系数可满足半导体芯片的散热需要。此外，它们是刚性的和耐腐蚀的，而且符合欧盟限制有害物质指令（RoHS）。 简化结构（无需胶水和绝缘层等），再加上高功率LED和陶瓷散热器之间的直接和永久邦定，为整个组装工作创造了一个理想的操作条件。这带来了极出的长期稳定性、安全的热管理和高可靠性。我们已经为这一新思路申请了专利，命名为CeramCool。  2.1 理论依据 CeramCool陶瓷散热器是电路板和散热器的一个有效结合，它可以可靠地对热敏感元件和电路进行冷却。它实现了元件之间的直接和永久的连接。此外，陶瓷本身是电气绝缘的，它可以通过使用金属片提供邦定表面。如果需要，可以提供针对客户的特定导体轨道结构，即使是三维的。 对于功率电子应用来说，直接铜邦定是可能的。陶瓷散热器可以变成一个模块基板，它可以密集地安装LED和其它元件。它可以迅速地散掉所产生的热量，又不产生任何障碍层。 2.2 新思路的验证 使用陶瓷的想法最初在好几个仿真模型中进行了交叉检查。为了预测不同设计的热性能，发明了一种基于CFD的方法。此外，还开发了一个优化的4W LED陶瓷散热器。开发时考虑到了制造要求。 优化的几何布局允许4W LED工作在60℃以下，已经通过了物理测试。设计是一个方形布局（38×38×24毫米），并包含占据更大空间的更长、更薄鳍。在铝基板上的相同几何布局可承受更高的温度。取决于PCB的热传导性（从4W/mK到1.5W/mK），温度会上升到6至28K之