如何用陶瓷散热器改进LED的散热问题
Ofweek 2021-10-19

 

  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。

  不过,只要我们在设计思路和材料使用上做出一些改变,我们就不仅可以显着提高热管理性能和可靠性,而且还可以得到一个更简化的系统。使用陶瓷作为散热器、电路载体和产品设计的一个部分,要求我们有一些全新的思考模式和意愿,来战胜传统的设计模式。

  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之间。

  目前,在热点处的6K减少量意味着LED的压力大幅减轻了。Rubalit组装的总热阻至少比铝要好13%,在相同的布局下。使用Alunit时,CeramCool的最低改善会达到31%。如果有28K的热降,那么这些扎实的结果很大程度上是上述两种陶瓷表现极出的缘故。

 

  3 解决方案

 

  在本文第二部分中,我们讨论了如何计算LED和散热器的热阻,以及如何将陶瓷进行一物两用。在接下来的本文第三部分,我们将讨论该思路的灵活性、定制解决方案的仿真模型、现有灯具改造和隔离、以及改善现有LED系统设计的分装方法。

  这一思路是灵活的,可用于不同的目标。你可以选择将LED运行在一个最佳温度,以确保长寿命和每瓦高流明数,你也可选择将LED运行在一个更高的温度,但接受更短的LED使用寿命和效率。从50℃至110℃的温度分布是常见的。如果需要更多的流明数,5或6W LED设计可以配备4W散热器。将如此高功率分解成数个1W功率LED,有助于改善热量扩散: 5W时65℃和6W时70℃(见图4)。

 

  

 

  随着芯片永久和可靠地邦定到电气绝缘CeramCool上,该陶瓷散热器就承载了更多的热量,变得更热。它可消除LED的散热负担,有效地冷却这个关键元件。降低的裸片温度也允许采用更小的表面,因此陶瓷散热器可做得更小。

  3.1 定制解决方案的仿真模型

  由于大多数使用CeramCool的应用是客户定制解决方案,因此在第一个昂贵的原型出来之前,有必要对其性能进行验证。为此进行了大量的研究来建立仿真模型。这些仿真模型已通过各种测试验证,并证明了与测试结果的可靠相关性。基于这一认识,新的思路或变化就很容易进行评估。

  3.2 灯具改装和隔离

  灯具改装问题主要牵涉隔离。任何改装灯必须是Class II结构,因为你不能保证提供电气地。这意味着任何暴露的金属块必须通过双重或增强型绝缘与交流电源走线隔离。

  金属散热器的改装常常不能遵守这一点,因为它们需要更大的距离(如空中6毫米)或双层绝缘,而这会影响散热器正常工作。GU10 LED中集成的电子驱动器在空间上是如此受限制,以致于该产品变得非常复杂。借助陶瓷散热器,即使驱动器完全不工作,散热器也不会导通交流电,因此产品还是安全的。

  CeramCool GU10 LED聚光灯可与任何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,它具有安全绝缘的简单的Class II结构。一个高压4W LED的最高温度只能达到60℃,既提高了LED使用寿命也增强了光输出。

  在所有CeramCool散热器中,基板就变成了散热器。在这里,它充当灯甚至灯具。这种简化的设计提供了极高的可靠性。此外,GU10 LED聚光灯的安装和反射器通常用不同材料制成。这一解决方案采用少得多的材料,陶瓷开发用于电气绝缘、良好的EMC和高的机械/化学稳定性。

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