如何借助陶瓷散熱器優(yōu)化LED產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)

作者：Donald Schelle， Marc Davis-Marsh

發(fā)光二極管（LED）因受到發(fā)熱問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。

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的仿真過程支持熱優(yōu)化和產(chǎn)品工藝設(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。

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。但只有當(dāng)不涉及熱管理時(shí)，它們才可以被真正地稱為“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)有什么大問題。不過，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，周圍空氣不是自由流動(dòng)就是強(qiáng)制對(duì)流。散熱器的材料越不雅觀，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，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RTT可進(jìn)行真正的熱比較。

圖2：RTT指明了從LED散熱片到周圍環(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。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)可滿足半導(dǎo)體的要求。此外，它們堅(jiān)硬、耐腐蝕，并滿足歐盟的有害物質(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)客戶的三維導(dǎo)體軌道結(jié)構(gòu)。

對(duì)功率電子應(yīng)用來說，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(yàn)證

首先采用幾個(gè)模擬模型對(duì)采用陶瓷這一想法進(jìn)行了交叉驗(yàn)證。為預(yù)測(cè)各種設(shè)計(jì)的熱性能，發(fā)明了一種基于CFD的方法。此外，還開發(fā)了一個(gè)優(yōu)化的4W LED陶瓷散熱器。開發(fā)時(shí)將制造要求考慮在內(nèi)。

優(yōu)化的幾何形狀允許4W LED的工作溫度最高不超過60℃，這已經(jīng)通過了物理測(cè)試。該設(shè)計(jì)是方形布局（38×38×24mm），并包含占據(jù)更大空間的細(xì)長(zhǎng)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(jù)PCB的熱傳導(dǎo)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意味著可顯著減少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的實(shí)在的好處更要顯著得多。

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(zhǎng)壽命及更高的每瓦流明數(shù)；也可以選擇接收較高工作溫度帶來的使用壽命和效率降低。50℃到110℃是常見的溫度范圍。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?jǐn)偣β视兄诟倪M(jìn)散熱：65℃對(duì)應(yīng)5W；70℃對(duì)應(yīng)6W（圖4）。

隨著芯片永久可靠地與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(fù)擔(dān)，對(duì)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(dá)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的好處。這一思路與風(fēng)冷散熱器的目標(biāo)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(duì)水的冷卻。沒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(yīng)用都是客戶定制方案，因此在構(gòu)建第一個(gè)昂貴的原型之前對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證就非常有必要。為此進(jìn)行了深入的研究來建立仿真模型。這些仿真模型已通過各種測(cè)試驗(yàn)證，并證明了它們與各測(cè)試結(jié)果的可靠相關(guān)性。基于這一認(rèn)識(shí)，可以很容易地對(duì)新方法或新變化進(jìn)行評(píng)估。

燈具改裝和絕緣

改裝燈具的主要問題涉及絕緣。任何改裝燈都必須采用Class II結(jié)構(gòu)，因?yàn)槟銦o法保證能提供電氣地。這意味著任何裸露的金屬部分必須通過雙重或增強(qiáng)的絕緣與主電源線隔離。

金屬散熱器的改裝往往無法做到這一點(diǎn)，因?yàn)樗鼈円蟾蟮拈g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(qū)動(dòng)器受到極其苛刻的空間限制，以致產(chǎn)品變得非常復(fù)雜。采用陶瓷散熱器，即使驅(qū)動(dòng)器完全失效，散熱器仍對(duì)主電源起著絕緣作用，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(jié)構(gòu)。一個(gè)高壓4W LED能達(dá)到的最高溫度不超過60℃，從而既延長(zhǎng)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(dāng)燈具甚至光源。該簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)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(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性等特性。

用于改進(jìn)現(xiàn)有LED系統(tǒng)的子基板

陶瓷可極大提升新的和現(xiàn)有LED系統(tǒng)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(tǒng)總熱阻。此舉在提供優(yōu)異的電氣絕緣和高溫穩(wěn)定性的同時(shí)，還具有諸如良好的熱傳導(dǎo)等重要優(yōu)勢(shì)。無論它是子基板還是一塊完整電路板，陶瓷都是絕對(duì)耐腐蝕的，這消除了特別是在戶外發(fā)生的電化腐蝕。

CeramCool非常適合大功率應(yīng)用，尤其是戶外的此類應(yīng)用。事實(shí)上，一種滿足不同功率等級(jí)需求的圓形散熱器系列正在開發(fā)之中。這一方法結(jié)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(jié)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。可采用經(jīng)過驗(yàn)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(xiàn)精密光角）對(duì)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(qū)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(shè)計(jì)的金屬表面上可簡(jiǎn)化該過程。

裝配和質(zhì)量檢查

德國(guó)著名的電子服務(wù)中心BMK可進(jìn)行這種裝配。該公司可實(shí)現(xiàn)樣機(jī)，也可進(jìn)行批量生產(chǎn)。生產(chǎn)中，采用機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)散熱器，并通過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(xù)的回流焊工序。冷卻后就得到了一個(gè)持久的綁定。先對(duì)焊接點(diǎn)和組件位置進(jìn)行目視檢查，隨后執(zhí)行100％的功能測(cè)試。到此，該產(chǎn)品已經(jīng)完成并隨時(shí)可以交付給客戶。

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