全面解決系統(tǒng)級LED熱管理難題

美國能源部（DOE）對LED做出了如下評價：沒有其它照明技術(shù)可以具有像LED這樣大的節(jié)能潛力和提升我們建筑環(huán)境品質(zhì)。由于LED的使用壽命是結(jié)溫的函數(shù)，所以熱管理對于LED的性能至關(guān)重要。

位于California，SanJose的Philips Lumileds Lighting應(yīng)用技術(shù)經(jīng)理Rudi Hechfellner說：“到目前為止熱管理是LED系統(tǒng)設(shè)計最重要的一個方面。LED系統(tǒng)生產(chǎn)商通過尋求優(yōu)化的散熱器、高效印制電路板、高熱導(dǎo)率外殼和其它先進熱設(shè)計技術(shù)來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。由于熱仿真可以在物理模型建立之前，從散熱的角度評估不同設(shè)計方案和優(yōu)化系統(tǒng)級設(shè)計，所以熱仿真的作用日益凸現(xiàn)。”

圖1：解決系統(tǒng)級LED熱管理難題

LED照明的出現(xiàn)

固態(tài)發(fā)光是一項新興的技術(shù)，其會在將來從根本上改變照明的形式。LED設(shè)計之初的功率小于50毫瓦。在過去十年間，LED的功率已經(jīng)上升為40～80lm/Watt。除了能效高之外，LED的使用壽命也長。根據(jù)不同的制造和類型，白色LED的使用壽命可以處于6000～50000小時范圍內(nèi)，高于30000小時的熒光（燈）管和2000小時的白熾燈泡。此外，LED可以不使用過濾器就產(chǎn)生單色光。

市場分析公司Yole Developpement說：LED在固態(tài)發(fā)光市場的收入將由2007年的10億美元上升到2012年的103億美元。Yole預(yù)計在2012年高亮度和超高亮度結(jié)合的LED收入將達到44.5億美元，這是2007年7億8千萬的5.5倍。這些固態(tài)發(fā)光裝置已經(jīng)成為不同應(yīng)用場合的燈源選擇，這些應(yīng)用場合包括交通信號燈、汽車和卡車的內(nèi)部和外部燈、屏幕可見顯示器、小型LCD背后照明和裝飾照明。最新的Isuppli報告（參考1）顯示，在一些新的場合也陸續(xù)的采用了LED。

散熱挑戰(zhàn)

與其它的燈源相比，高功率的LED產(chǎn)生了嚴重的散熱問題，這主要是因為LED不通過紅外輻射進行散熱。根據(jù)美國能源部門研究顯示，用于驅(qū)動LED的功耗75％～85％最終轉(zhuǎn)換為熱能，并且必須通過導(dǎo)熱的方式將熱量由LED芯片導(dǎo)入下部印制電路板、散熱器、外殼或者光源結(jié)構(gòu)元件等。美國能源部能效和再生能源部門得出了一個名為“Thermal Managementof WhiteLEDs”（參考2）的報告。簡而言之，過多的熱量會減少LED的光輸出和產(chǎn)生偏色。

此外，熱管理的優(yōu)劣還會產(chǎn)生一些長期的影響，諸如光輸出的減少會導(dǎo)致使用壽命的縮短。美國能源部門表示：制造商通常在25℃的固定結(jié)溫下對LED進行測試。然而，在通常情況下結(jié)點的溫度為60℃或更高，在這些情況下LED燈的輸出可能只有額定的10％或更少。對于鎢燈泡而言，散熱途徑是通過熱輻射的方式，熱量直接由燈絲進入到周圍環(huán)境中。LED裝置的主要散熱途徑是由芯片到系統(tǒng)外殼的導(dǎo)熱。

圖2：整個LED等的表面溫度分布

圖3：LED燈內(nèi)部的溫度分布

LED裝置的制造商提供了封裝級的熱管理。對于制造商而言，最為關(guān)注的是如何減小芯片到外部封裝的熱阻。通常一些小型安裝在平板上的LED燈有許多引線，這些引線形成了主要的導(dǎo)熱路徑，并且對于這些LED而言，其芯片到引線的熱阻至關(guān)重要。封裝設(shè)計依據(jù)制造商和LED類型變化，但封裝的理念卻很相似。

在這個例子中，LED芯片通常利用粘結(jié)層（bondlayer）被貼賦到一個金屬連接層（metalinter connectlayer），而這個金屬連接層又被貼賦到一個陶瓷基座（Ceramic Substrate）和一個電絕緣導(dǎo)熱墊（ThermalPad）。整個封裝設(shè)計的目的是最大化光學(xué)輸出和從LED芯片背部去除熱量。

Hechfellner說：即便是最高效的LED裝置也要求為其設(shè)計冷卻系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)的燈源是通過輻射方式進行散熱，所以他們不會產(chǎn)生此類散熱問題。許多LED制造商在電和結(jié)構(gòu)方面有著比熱方面更多的經(jīng)驗。工程師們需要改變他們的理念，并且應(yīng)該先考慮散熱后考慮電。對于LED系統(tǒng)制造商而言，現(xiàn)今設(shè)計中面對的挑戰(zhàn)90％是由散熱所引起，而電和結(jié)構(gòu)所引起的問題僅僅占到10％。

圖4：高功率LED封裝草圖（點擊圖片查看原圖）

Hechfellner補充說：系統(tǒng)級制造商所面對的最大問題是研發(fā)一種散熱效率高的燈座，LED裝置可以方便的插入這一燈座，而熱量可以迅速的導(dǎo)入至環(huán)境中。就我所知，當前市場上還沒有這種系統(tǒng)。改善導(dǎo)熱截面材料和設(shè)計工具是進行研發(fā)這類系所必須的。我們致力于創(chuàng)造一個良好的研發(fā)平臺，諸如可以幫助精確模擬LED的仿真工具，從而便于我們的客戶進行更好的熱設(shè)計。

LED封裝的本質(zhì)是即便LED的效率增加，但散熱的問題依舊存在。由于光輸出隨著溫度升高而減小，更大比例的電功率轉(zhuǎn)化為熱會進一步的提升LED的溫度。隨著時間的推移LED的光輸出會減少，而它的熱量又會加速LED的老化。一個常用的白色LED光通量衰減指標是磷光體泛黃，這可能是由于受熱引起或者是環(huán)境誘發(fā)，但這并不意味著芯片低效率工作或有更多的熱量產(chǎn)生。熱管理的方案需要滿足在LED整個使用周期里都能去除熱量的要求。

系統(tǒng)級設(shè)計考慮

每一種LED的設(shè)計考慮都是不同，并且需要清楚的了解LED所受的尺寸限制和性能。LED系統(tǒng)設(shè)計的本質(zhì)是有效的將熱量從LED散熱片，金屬塊或引腳傳遞到周圍環(huán)境中。在金屬塊和印制電路板墊片間必須進行可靠和有效的連接。通常的熱量通過PCB上的熱過孔到達另一層的銅塊上。之后熱量通過導(dǎo)熱的方式進入到外殼或外部散熱器中。當一個外殼內(nèi)需要去除大量的熱時，需要一個外部散熱器。LED散熱器常用的材料是鋁或銅。由于散熱器和空氣之間的對流換熱熱阻影響很大，所以有必要對散熱器的幾何外形進行優(yōu)化。

散熱器的性能取決于材料、翅片數(shù)、翅片厚和基座厚等參數(shù)。外部散熱器擴展了換熱表面，便于熱量進入到空氣中。優(yōu)化設(shè)計必須考慮散熱器周圍的空氣流動情況，而這一區(qū)域的空氣流動又受到散熱器的影響，所以對設(shè)計產(chǎn)生了不小的挑戰(zhàn)。材料銅可以具有很高的熱導(dǎo)率，但相同體積下鋁的重量更輕，同時價錢也更便宜。在一些PCB中通過使用一些基板來提升傳熱能力，這些基板使用陶瓷或者覆有鐵、鋁或其它材料。

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圖5：90置信水平下InGaNLUXEONRebel在不同結(jié)溫和驅(qū)動電流情況下的使用壽命

LED應(yīng)用中最大的難題是要求用一密封的外殼來保護LED。解決這一難題可以使用高導(dǎo)熱率的外殼材料。當然也采用一些復(fù)雜的方法。例如：空對空（air-to-air）熱交換設(shè)計使用通過內(nèi)部風扇將熱量傳遞給內(nèi)部翅片，之后熱量由內(nèi)部翅片通過導(dǎo)熱方式進入到外殼中。最后通過外部風扇對連接在外殼上的外部翅片進行冷卻。熱量通過對流-導(dǎo)熱-對流三個步驟進入到空氣中。很明顯，在設(shè)計一個LED系統(tǒng)時需要考慮許多設(shè)計變量。有許多理由需要我們進行熱設(shè)計優(yōu)化。

DOE關(guān)于熱管理的FactSheet中明確注明：過熱會影響LED短期和長期的性能。短期的影響是產(chǎn)生偏色和減少光輸出。減小偏色對于諸如LCDTVs等緊急應(yīng)用中的背光很重要，在這些應(yīng)用場合日益增加的LED功率密度促使圖像顏色發(fā)生偏差，這就使散熱更具挑戰(zhàn)性。急劇升高的結(jié)溫會嚴重影響LED的使用壽命和可靠性。優(yōu)化熱設(shè)計可能有對產(chǎn)品的成本也有很大影響。例如，熱設(shè)計可能要確定是否需要使用一個散熱器，這就會增加產(chǎn)品的成本。

仿真的作用

絕大多數(shù)電子、原始設(shè)備生產(chǎn)商和元件提供商早已認可在產(chǎn)品研發(fā)早期就考慮散熱問題的做法。其中的許多廠商采用軟件在物理模型建立之前就進行元件和系統(tǒng)級的仿真分析，從而避免了反復(fù)的設(shè)計改變。然而，LED系統(tǒng)制造商習(xí)慣于以傳統(tǒng)燈源的角度來設(shè)計系統(tǒng)。問題是這些傳統(tǒng)的燈源是不必考慮散熱問題。這些LED系統(tǒng)制造商可能不具有散熱專業(yè)知識和熟練使用CFD軟件的專家。過去十年以及當今很多CFD軟件都需要用戶具有深厚的計算流體動力學(xué)方面的專業(yè)知識，以便確定所獲得的結(jié)果是否正確。

舉例，用戶需要將他們的CAD模型轉(zhuǎn)換到CFD軟件中，設(shè)定需要仿真的固體模型，正確劃分網(wǎng)格，確定邊界條件，選擇正確的物理模型，設(shè)定求解設(shè)置保證收斂，以及其它的工作。上一代CFD軟件需要進行大量的調(diào)整，諸如手動修改網(wǎng)格以提高網(wǎng)格質(zhì)量和修改松弛促使仿真結(jié)構(gòu)收斂。但最近幾年出現(xiàn)了新一代適用于工程師的CFD軟件。這種軟件使用3DCAD模型，自動探測流動區(qū)域和劃分網(wǎng)格，使不具有深厚計算流體動力學(xué)知識的工程師也能輕松使用，從而便于他們著重關(guān)注產(chǎn)品的流動情況。這一新一代CFD軟件包含了成熟的自動控制功能，不必進行手動調(diào)整就可以確保結(jié)果收斂。

圖6：可視化流動跡線分布（點擊圖片查看原圖）

這一新一代軟件適用于LED系統(tǒng)的熱設(shè)計。操作此類軟件僅僅需要會使用CAD軟件和了解物理模型，這些都是絕大部分工程師早已掌握的。使用原有的3DCAD模型不僅僅節(jié)省了時間，而且使捕捉所有LED系統(tǒng)的特征成為可能。這類軟件中也包含所有的熱交換機理，所以其可以進行可靠的分析。再進行CFD仿真時許多過程都會自動進行，這類軟件使LED系統(tǒng)工程師可以快速的對大量設(shè)計方案進行評估。圖3、4和5中顯示的燈使用了6個高功率LED。這些LED和電源都會有熱耗散。由于不使用風扇，所以工程師僅僅計算導(dǎo)熱、自然對流和輻射。通過使用嵌入到CAD系統(tǒng)中的CFD軟件，Voxdale工程師確定了LED和電源的所有材料以及它們的特性。

物理測試

物理測試是一種花費昂貴、耗時又長的研究設(shè)計改變的方法。然而，它對于驗證最終設(shè)計方案和解決制造問題時非常有效。物理測試可以確定使用的材料特性值和驗證DieAttach中的空隙等問題。一些測量方法充分考慮了特定裝置的溫度與正向電壓將成比例的關(guān)系。在確定了特定測量電流下的正向電壓降之后，在LED上應(yīng)用更大的電流，從而加熱LED。之后關(guān)閉這一電流，對LED施加一更小的電流。

通過這一小電流可以獲得裝置的特性，并且可以實現(xiàn)小的正向電壓降。在結(jié)溫冷卻之前可以快速的測量正向電壓。監(jiān)測隨時間變化的溫度波動可以確定熱流是如何通過節(jié)點與外部環(huán)境中的每一層。這就允許我們直接測量諸如DieAttach等熱流路徑上的熱阻。由于LED具有快速的熱響應(yīng)，所以需要一些可以測量微秒時間段內(nèi)裝置中溫度變化的測量硬件。這類熱瞬態(tài)測量可能采用高精度的“結(jié)構(gòu)函數(shù)”，它有助于提供LED封裝、Die-Attach失效和其它結(jié)構(gòu)完整性問題等相關(guān)信息。

結(jié)論

LED技術(shù)使節(jié)約能源，提高照明品質(zhì)和可靠性成為可能。LED設(shè)計過程中熱設(shè)計是非常重要的，以便滿足其性能、使用周期和花費的要求。系統(tǒng)設(shè)計工程師有許多選擇來解決散熱問題。新一代嵌入至CAD的熱和流體仿真軟件有助于工程師發(fā)現(xiàn)散熱問題和快速的優(yōu)化方案。在樣品階段可以通過測量物理模型來驗證最后的設(shè)計方案，從而確保工藝的可行性。在這方面獲取的經(jīng)驗有助于以后產(chǎn)品設(shè)計仿真。

在自動劃分網(wǎng)格和求解之后，如下圖所示可以在原有CAD模型上進行仿真結(jié)果的觀察。冷空氣通過對流的方式進入到燈的內(nèi)部，而熱空氣通過縫隙排出。Dialight PLC使用嵌入到CAD中的CFD軟件設(shè)計LED照明系統(tǒng)。Dialight是應(yīng)用LED技術(shù)方面的領(lǐng)導(dǎo)者，其主要致力于以下兩個方面：1）元件：包括用于電子設(shè)備狀態(tài)顯示的低亮度LED。2）信號/照明：使用最新的高亮度LED技術(shù)用于交通和軌道信號燈、障礙燈、危險場所照明，并且致力于在更多應(yīng)用場合使用LED技術(shù)。照明產(chǎn)品Digalight VP的Gordon Routledge說：“雖然LED的效率越來越高，但是還是有大量的輸入功率轉(zhuǎn)換為熱。電子器件和LED裝置的冷卻對于其長期的可靠性非常重要，因此包括流動分析在內(nèi)的熱分析有助于我們完成我們的研發(fā)計劃。”