用全新的陶瓷方法来简化LED散热设计

用全新的陶瓷方法来简化 LED 散热设计 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 我们就不仅可以显著提高热管理 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 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 L ED 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 LE D 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 P CB 作为电路板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 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 陶瓷 一物两用 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 理论依据 CeramCool 陶瓷散热器是电路板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 L ED 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 这一新思路的验证 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 PC B 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 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 1 10 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 随著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 LED 散热金属块离冷却水距离仅 2mm 在非常高的功率密度下 空气冷却性能已达到其极限 此时 液体冷却就是一个可选项 一个这样的例子 是 CeramCool 水冷却 它得益于陶瓷的惰性 其思路与风冷散热器的目标是一样的 即热源与散热通道 之间的距离最短 在陶瓷散热器上 冷却水与 LED 散热金属块的距离可做到只有 2 毫米 没有任何其他 的方法可以做到这一点 同时又具有陶瓷的坚固性 多层电路可以直接印刷在陶瓷上 同时又不会造成任 何热障碍 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 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 SUBMOUNTS FOR IMPROVING EXISTING LED SYSTEMS Ceramics can greatly improve both new and existing LED systems Using a ceramic CeramCool Submount the PCB between LEDs and the metallic heatsink can be replaced with ease conside rably reducing the total thermal resistance of the system This offers important advantages such as very good thermal conductivity while delivering perfect electrical insulation and high temperatur e stability Whether it s a submount or complete circuit board ceramic is absolutely corrosion resi stant which eliminates galvanic corrosion especially outdoors High power applications especially those targeted for outdoor usage are well suited for CeramCo ol In fact a family of round heatsinks that will meet the demands of different power levels is un der development The concept combines cost efficient production with high flexibility of usage Wh at will ultimately result is a semi customized product family METALLIZATION AND COMPONENT PART CARRIER To fully exploit the optimization potential we have to look at metallization possibilities as well Ce ramic can be coated directly with proven thick layer technologies and their high adhesion force WNi Au Ag AgPd Au DCB AMB or thin film processes with their smooth surfaces allowing precise light angles A finish for better soldering can be obtained using electroless nickel or gold immersion or cathodic deposition The possibility of metallization makes the heatsink s entire surface usable as a circuit carrier whi ch can be firmly packed with LEDs and drivers on customized circuit layouts while providing relia ble electrical insulation The process can be simplified by bonding the chip directly onto the speci ally designed metallic surface ASSEMBLING AND QUALITY CHECK One potential assembler is BMK a well known German center for electronic services The compa ny performs prototyping as well as series production The heatsinks are mechanically set in a pr oduction framework and a solder cream that s automatically applied is pressed through a templat e In the next step of the process LEDs and other components are mounted onto the heatsinks fol lowed by subsequent processi