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發(fā)光二極管(LED)因受到發(fā)熱問(wèn)題的制約而妨礙其成為一種理想光源的情況是可以理解的。我們對散熱器給予了很大關(guān)注，但卻對LED和散熱表面間的各層和屏障考慮不多。 觀(guān)念和材料的改變除可簡(jiǎn)化系統實(shí)現外，還可以顯著(zhù)提高熱管理能力和可靠性。采用陶瓷作為散熱器、電路載體以及產(chǎn)品設計的一部分不僅需要新思路，還要有克服傳統模式的意愿。 基于計算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的仿真過(guò)程支持熱優(yōu)化和產(chǎn)品工藝設計。本文將解釋這種理論方法、概念驗證以及如何借助陶瓷散熱器最終實(shí)現這些改良。 熱是什么 眾所周知，LED是高能效光源，而且因為體積小深受設計師的喜愛(ài)。但只有當不涉及熱管理時(shí)，它們才可以被真正地稱(chēng)為“小”。雖然與白熾光源高達2500℃的工作溫度相比，LED光源溫度要低得多。因此，許多設計師最終意識到散熱是個(gè)不可忽視的問(wèn)題。盡管LED仍然會(huì )發(fā)熱，但其溫度相對低一些，因此這不會(huì )有什么大問(wèn)題。不過(guò)，基于半導體器件LED其工作溫度應低于100℃。 根據能量守恒定律，熱(能)必須要被傳送到附近區域。LED只能工作在25℃環(huán)境溫度和最高100℃之間，溫差范圍僅為75℃。因此，需要一個(gè)較大的散熱表面和非常有效的熱管理。 兩個(gè)優(yōu)化塊 如圖1所示，Group 1是LED本身，大體上仍是不能觸摸。中心位置是LED裸片以及一個(gè)將該裸片與LED底部連接起來(lái)的散熱銅條。從熱的角度講，理想方案是將LED裸片直接與散熱器綁定在一起。由于大規模生產(chǎn)的原因，這一概念在商業(yè)上行不通。我們把LED看作一個(gè)標準化的“目錄”產(chǎn)品，不能做改動(dòng)。它是個(gè)黑盒子。 
圖1：在定義優(yōu)化塊時(shí)，三個(gè)Group構建成一個(gè)熱管理系統。 Group 2包括散熱器，散熱器的功能是把熱從發(fā)熱源傳遞到散熱源。通常，周?chē)諝獠皇亲杂闪鲃?dòng)就是強制對流。散熱器的材料越不雅觀(guān)，就越需被隱藏。但是，它隱藏得越深，其制冷效率也就越低。當然，也可選用外觀(guān)和性能都合適的材料。這些材料可以直接裸露在空氣中，成為產(chǎn)品設計的可見(jiàn)部分。 在Group 1和Group 2之間是Group 3，它提供了機械連接、電氣隔離和熱傳導。這看起來(lái)似乎很矛盾，因為大多數導熱性好的材料也可導電。反之，幾乎每種電絕緣材料也都隔熱。 最好的折衷辦法是把LED焊接到粘在金屬散熱器上的印刷電路板(PCB)上。PCB作為電路板的原始功能可被保留。雖然PCB具有各種熱傳導率，但它們都對熱傳導起著(zhù)阻隔作用。 有效的系統熱阻比較 可從制造商那里獲得LED(裸片到導熱片)和散熱器間的熱阻。不過(guò)，很少有人關(guān)注Group 3及其對整體熱性能的顯著(zhù)影響。把除LED(Group 1)本身外的所有熱阻都加在一起，可以得到總熱阻(RTT)(圖2)。通過(guò)RTT可進(jìn)行真正的熱比較。
圖2：RTT指明了從LED散熱片到周?chē)h(huán)境的總熱阻。 陶瓷：一種材料實(shí)現兩種功能 僅優(yōu)化散熱器的作法很常見(jiàn)。目前已有上百種散熱器設計，它們基本上都由鋁構造。但為進(jìn)一步改進(jìn)性能，有必要提升甚至取消Group 3。電氣隔離功能必須通過(guò)其它材料從散熱器本身獲得。我們認為這種材料應該是陶瓷。諸如Rubalit(氧化鋁)或Alunit(氮化鋁)等陶瓷材料將兩個(gè)關(guān)鍵特性：電絕緣和熱傳導結合在一起。 Rubalit的導熱性能比鋁低，而Alunit的比鋁略高。另一方面，Rubalit不像Alunit那么貴(圖3)。它們的熱膨脹系數可滿(mǎn)足半導體的要求。此外，它們堅硬、耐腐蝕，并滿(mǎn)足歐盟的有害物質(zhì)限用指令 (RoHS)。陶瓷是完全惰性物質(zhì)，它們是整個(gè)系統最耐用的部分。
該簡(jiǎn)化結構(無(wú)膠粘、絕緣層等)將一個(gè)大功率LED與陶瓷散熱器直接且永久地綁定在一起，為整個(gè)組件創(chuàng )造了理想的工作條件。這帶來(lái)了優(yōu)異的長(cháng)期穩定性，安全的熱管理和高可靠性。我們已為這一方法申請了名為CeramCool的專(zhuān)利。 理論依據 CeramCool陶瓷散熱器是電路板和散熱器的有效整合，可以對熱敏感元件和電路進(jìn)行可靠地散熱。它支持器件間直接和永久的連接。此外，陶瓷本身是不導電的，它可以通過(guò)采用金屬襯墊提供綁定表面。如果需要，甚至可提供針對客戶(hù)的三維導體軌道結構。 對功率電子應用來(lái)說(shuō)，可采用直接銅綁定。散熱器變成一個(gè)模塊基板，上面可密集擺放LED和其它器件。它可迅速地散掉產(chǎn)生的熱且不產(chǎn)生任何熱屏障。 概念的驗證 首先采用幾個(gè)模擬模型對采用陶瓷這一想法進(jìn)行了交叉驗證。為預測各種設計的熱性能，發(fā)明了一種基于CFD的方法。此外，還開(kāi)發(fā)了一個(gè)優(yōu)化的4W LED陶瓷散熱器。開(kāi)發(fā)時(shí)將制造要求考慮在內。 優(yōu)化的幾何形狀允許4W LED的工作溫度最高不超過(guò)60℃，這已經(jīng)通過(guò)了物理測試。該設計是方形布局(38×38×24mm)，并包含占據更大空間的細長(cháng)鰭。而具有相同幾何布局的鋁制基板(帶有安裝在PCB上的LED)可承受的溫度要高得多。根據PCB的熱傳導率(從4W/mK到1.5W/mK)，溫度可上升6至28K。 將熱點(diǎn)的溫度降低6k意味著(zhù)可顯著(zhù)減少LED的壓力。相同形狀Rubalit組件的總熱阻至少比鋁要好13％。使用Alunit可將CeramCool性能提升最少31％。如果考慮28K的熱降，則Rubalit和Alunit這兩種陶瓷材料帶來(lái)的實(shí)在的好處更要顯著(zhù)得多。 方法的靈活性 這是一種靈活的方法，可用于不同目的。你可以選擇使LED工作在其最佳溫度以確保LED的長(cháng)壽命及更高的每瓦流明數；也可以選擇接收較高工作溫度帶來(lái)的使用壽命和效率降低。50℃到110℃是常見(jiàn)的溫度范圍。若需要更高流明，5或6W LED可配備4W散熱器。用幾個(gè)1W LED分攤功率有助于改進(jìn)散熱：65℃對應5W；70℃對應6W(圖4)。
隨著(zhù)芯片永久可靠地與CeramCool電絕緣材料綁定在一起，該陶瓷散熱器吸收了更多熱量、變得更熱。它消除了LED的散熱負擔，對重要部件進(jìn)行了冷卻。降低了的裸片溫度也允許采用更小的表面，因此，散熱器可做得更小。 2 毫米間距水冷 在很高的功率密度下，空氣冷卻會(huì )達到其極限。此時(shí)，液體冷卻是替代的選擇。CeramCool水冷就是一個(gè)例子，它得益于陶瓷惰性特征帶來(lái)的好處。這一思路與風(fēng)冷散熱器的目標一致：即熱源和散熱通道之間的距離最短。 采用陶瓷散熱器，可以在與LED散熱塊相距僅2毫米處實(shí)施對水的冷卻。沒(méi)有其它方法可以做到這一點(diǎn)，同時(shí)又具有陶瓷的耐用特性。多層(Multilateral) 電路可直接印制在陶瓷上且不會(huì )產(chǎn)生熱屏障。 定制方案的仿真模型 由于大部分采用CeramCool的應用都是客戶(hù)定制方案，因此在構建第一個(gè)昂貴的原型之前對其性能進(jìn)行驗證就非常有必要。為此進(jìn)行了深入的研究來(lái)建立仿真模型。這些仿真模型已通過(guò)各種測試驗證，并證明了它們與各測試結果的可靠相關(guān)性�；谶@一認識，可以很容易地對新方法或新變化進(jìn)行評估。 燈具改裝和絕緣 改裝燈具的主要問(wèn)題涉及絕緣。任何改裝燈都必須采用Class II結構，因為你無(wú)法保證能提供電氣地。這意味著(zhù)任何裸露的金屬部分必須通過(guò)雙重或增強的絕緣與主電源線(xiàn)隔離。 金屬散熱器的改裝往往無(wú)法做到這一點(diǎn)，因為它們要求更大的間隔(如6mm客氣間隔)或雙絕緣層，這會(huì )影響散熱器的工作。GU10 LED中集成的電子驅動(dòng)器受到極其苛刻的空間限制，以致產(chǎn)品變得非常復雜。采用陶瓷散熱器，即使驅動(dòng)器完全失效，散熱器仍對主電源起著(zhù)絕緣作用，所以產(chǎn)品仍是安全的。 CeramCool GU10 LED射燈可與任何LED一起工作。插座和反射器由同一種高性能陶瓷材料制成。因此，它具有安全絕緣的簡(jiǎn)單Class II結構。一個(gè)高壓4W LED能達到的最高溫度不超過(guò)60℃，從而既延長(cháng)了產(chǎn)品壽命又增加了光輸出。 所有CeramCool散熱器的基板都起散熱器的作用。此時(shí)它充當燈具甚至光源。該簡(jiǎn)化設計具有極高可靠性。此外，GU10 LED射燈的安裝支架和反射器通常采用不同材料。該方案所用的材料少得多，并充分利用了陶瓷的電氣絕緣性、良好的電磁兼容性(EMC)以及高的機械和化學(xué)穩定性等特性。 用于改進(jìn)現有LED系統的子基板 陶瓷可極大提升新的和現有LED系統的性能。利用陶瓷CeramCool子基板(submount)，可輕松取代LED和金屬散熱器之間的PCB，極大地減小了系統總熱阻。此舉在提供優(yōu)異的電氣絕緣和高溫穩定性的同時(shí)，還具有諸如良好的熱傳導等重要優(yōu)勢。無(wú)論它是子基板還是一塊完整電路板，陶瓷都是絕對耐腐蝕的，這消除了特別是在戶(hù)外發(fā)生的電化腐蝕。 CeramCool非常適合大功率應用，尤其是戶(hù)外的此類(lèi)應用。事實(shí)上，一種滿(mǎn)足不同功率等級需求的圓形散熱器系列正在開(kāi)發(fā)之中。這一方法結合了具成本效益的生產(chǎn)與高度靈活的使用兩種要求。其最終結果將是一種“半定制”產(chǎn)品系列。 金屬化和部件載體 為充分利用優(yōu)化潛力，我們也必須考慮金屬化的可能性�？刹捎媒�(jīng)過(guò)驗證的厚膜技術(shù)及其高粘附力 (WNi(金)、銀、銀鈀、金、DCB、AMB等)或借助薄膜工藝及其平滑表面(可實(shí)現精密光角)對陶瓷進(jìn)行直接涂層。使用化學(xué)鍍鎳或金(沉浸或陰極沉積法)可獲得更好的焊接質(zhì)量。 金屬化的可能性使得散熱器的整個(gè)表面可用作電路載體，可將其與LED和驅動(dòng)器牢固地封裝在定制的電路上，同時(shí)提供了可靠的電氣絕緣。將芯片直接綁定到特殊設計的金屬表面上可簡(jiǎn)化該過(guò)程。 裝配和質(zhì)量檢查 德國著(zhù)名的電子服務(wù)中心BMK可進(jìn)行這種裝配。該公司可實(shí)現樣機，也可進(jìn)行批量生產(chǎn)。生產(chǎn)中，采用機械結構實(shí)現散熱器，并通過(guò)一塊模板將組件本身自動(dòng)提供的焊錫膏壓擠到組件上面。 該加工工程的下一步，是先把LED和其它元件安裝在散熱器上，再進(jìn)行后續的回流焊工序。冷卻后就得到了一個(gè)持久的綁定。先對焊接點(diǎn)和組件位置進(jìn)行目視檢查，隨后執行100％的功能測試。到此，該產(chǎn)品已經(jīng)完成并隨時(shí)可以交付給客戶(hù)。 作者：Donald Schelle, Marc Davis-Marsh |
