用陶瓷方法简化LED散热设计.docx

用陶瓷方法简化 LED 散热设计 发光二极管(LED)因受到发热问题的制约而妨碍其成为一种理想光源的情况是可以理解的。我们对散热器给予了很大关注，但却对LED 和散热表面间的各层和屏障考虑不多。 观念和材料的改变除可简化系统实现外，还可以显著提高热管理能力和可靠性。采用陶瓷作为散热器、电路载体以及产品设计的一部分不仅需要新思路，还要有克服传统模式的意愿。 热是什么 众所周知，LED 是高能效光源，而且因为体积小深受设计师的喜爱。但只有当不涉及热管理时，它们才可以被真正地称为“小”。虽然与白炽光源高达 2500℃的工作温度相比，LED 光源温度要低得多。因此，许多设计师最终意识到散热是个不可忽视的问题。尽管 LED 仍然会发热，但其温度相对低一些，因此这不会有什么大问题。不过，基于半导体器件LED 其工作温度应低于 100℃。 根据能量守恒定律，热(能)必须要被传送到附近区域。LED 只能工作在 25℃环境温度和最高 100℃之间，温差范围仅为 75℃。因此，需要一个较大的散热表面和非常有效的热管理。 两个优化块 如图 1 所示，Group1 是 LED 本身，大体上仍是不能触摸。中心位置是LED 裸片以及一个将该裸片与 LED 底部连接起来的散热铜条。从热的角度讲，理想方案是将 LED 裸片直接与散热器绑定在一起。由于大规模生产的原因，这一概念在商业上行不通。我们把 LED 看作一个标准化的“目录”产品，不能做改动。它是个黑盒子。 图 1：在定义优化块时，三个Group 构建成一个热管理系统。 Group2 包括散热器，散热器的功能是把热从发热源传递到散热源。通常，周围空气不是自由流动就是强制对流。散热器的材料越不雅观，就越需被隐藏。但是，它隐藏得越深，其制冷效率也就越低。当然，也可选用外观和性能都合适的材料。这些材料可以直接裸露在空气中，成为产品设计的可见部分。 在 Group1 和 Group2 之间是 Group3，它提供了机械连接、电气隔离和热传导。这看起来似乎很矛盾，因为大多数导热性好的材料也可导电。反之，几乎每种电绝缘材料也都隔热。 最好的折衷办法是把 LED 焊接到粘在金属散热器上的印刷电路板(PCB)上。PCB 作为电路板的原始功能可被保留。虽然PCB 具有各种热传导率，但它们都对热传导起着阻隔作用。 有效的系统热阻比较 可从制造商那里获得LED(裸片到导热片)和散热器间的热阻。不过，很少有人关注Group3 及其对整体热性能的显著影响。把除 LED(Group1)本身外的所有热阻都加在一起，可以得到总热阻(RTT)(图 2)。通过RTT 可进行真正的热比较。 图 2：RTT 指明了从LED 散热片到周围环境的总热阻。陶瓷：一种材料实现两种功能 仅优化散热器的作法很常见。目前已有上百种散热器设计，它们基本上都由铝构造。但为进一步改进性能，有必要提升甚至取消Group3。电气隔离功能必须通过其它材料从散热器本身获得。我们认为这种材料应该是陶瓷。诸如 Rubalit(氧化铝)或Alunit(氮化铝)等陶瓷材料将两个关键特性：电绝缘和热传导结合在一起。 Rubalit 的导热性能比铝低，而Alunit 的比铝略高。另一方面，Rubalit 不像 Alunit 那么贵(图 3)。它们的热膨胀系数可满足半导体的要求。此外，它们坚硬、耐腐蚀， 并满足欧盟的有害物质限用指令(RoHS)。陶瓷是完全惰性物质，它们是整个系统 最耐用的部分。 该简化结构(无胶粘、绝缘层等)将一个大功率 LED 与陶瓷散热器直接且永久地绑定在一起，为整个组件创造了理想的工作条件。这带来了优异的长期稳定性，安全的热管理和高可靠性。我们已为这一方法申请了名为CeramCool 的专利。 理论依据 CeramCool 陶瓷散热器是电路板和散热器的有效整合，可以对热敏感元件和电路进行可靠地散热。它支持器件间直接和永久的连接。此外，陶瓷本身是不导电的， 它可以通过采用金属衬垫提供绑定表面。如果需要，甚至可提供针对客户的三维导 体轨道结构。 对功率电子应用来说，可采用直接铜绑定。散热器变成一个模块基板，上面可密集摆放 LED 和其它器件。它可迅速地散掉产生的热且不产生任何热屏障。 概念的验证 首先采用几个模拟模型对采用陶瓷这一想法进行了交叉验证。为预测各种设计的热性能，发明了一种基于CFD 的方法。此外，还开发了一个优化的 4WLED 陶瓷散热器。开发时将制造要求考虑在内。 优化的几何形状允许 4WLED 的工作温度最高不超过 60℃，这已经通过了物理测试。该设计是方形布局(38×38×24mm)，并包含占据更大空间的细长鳍。而具有相同几何布局的铝制基板(带有安装在 PCB 上的 LED)可承受的温度要高得多。根据PCB 的热传导率(从 4W/mK