如何借助陶瓷散熱器簡(jiǎn)化LED散熱設(shè)計(jì)

本文將解釋這種理論方法、概念驗(yàn)證以及如何借助陶瓷散熱器最終實(shí)現(xiàn)這些改良。 基于計(jì)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(shè)計(jì)。

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(duì)散熱器給予了很大關(guān)注，但卻對(duì)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)外，還可以顯著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(shè)計(jì)的一部分不僅需要新思路，還要有克服傳統(tǒng)模式的意愿。

熱是什么

眾所周知，LED是高能效光源，而且因?yàn)轶w積小深受設(shè)計(jì)師的喜愛(ài)。但只有當(dāng)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(dá)2500℃的工作溫度相比，LED光源溫度要低得多。因此，許多設(shè)計(jì)師最終意識(shí)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(duì)低一些，因此這不會(huì)有什么大問(wèn)題。不過(guò)，基于半導(dǎo)體器件LED其工作溫度應(yīng)低于100℃。

根據(jù)能量守恒定律，熱(能)必須要被傳送到附近區(qū)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(guī)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(biāo)準(zhǔn)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(gòu)建成一個(gè)熱管理系統(tǒng)。

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(qiáng)制對(duì)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(dāng)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(shè)計(jì)的可見(jiàn)部分。

在Group 1和Group 2之間是Group 3，它提供了機(jī)械連接、電氣隔離和熱傳導(dǎo)。這看起來(lái)似乎很矛盾，因?yàn)榇蠖鄶?shù)導(dǎo)熱性好的材料也可導(dǎo)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(dǎo)率，但它們都對(duì)熱傳導(dǎo)起著阻隔作用。

有效的系統(tǒng)熱阻比較

可從制造商那里獲得LED(裸片到導(dǎo)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(duì)整體熱性能的顯著影響。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：R_TT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(xiàn)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(shè)計(jì)，它們基本上都由鋁構(gòu)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(rèn)為這種材料應(yīng)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(dǎo)結(jié)合在一起。

Rubalit的導(dǎo)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(shù)可滿(mǎn)足半導(dǎo)體的要求。此外，它們堅(jiān)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(tǒng)最耐用的部分。

該簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)(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(zhǎng)期穩(wěn)定性，安全的熱管理和高可靠性。我們已為這一方法申請(qǐng)了名為CeramCool的專(zhuān)利。

理論依據(jù)

CeramCool陶瓷散熱器是電路板和散熱器的有效整合，可以對(duì)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(dǎo)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(duì)客戶(hù)的三維導(dǎo)體軌道結(jié)構(gòu)。

對(duì)功率電子應(yīng)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。