利用全新的陶瓷方法簡化LED散熱設(shè)計(jì)

LED的散熱問題將是限制它未來能否在市場上取得更大成功的主要因素。目前業(yè)界的很多研究都集中在散熱器上，但對LED和散熱表面之間的隔層研究較少。 不過，只要我們在設(shè)計(jì)思路和材料使用上做出一些改變，我們就不僅可以顯著提高熱管理性能和可靠性，而且還可以得到一個(gè)更簡化的系統(tǒng)。使用陶瓷作為散熱器、電路載體和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)部分，要求我們有一些全新的思考模式和意愿，來戰(zhàn)勝傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式。

基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的仿真過程支持熱優(yōu)化和產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計(jì)。本文將闡述理論根據(jù)、概念驗(yàn)證、以及如何最終用陶瓷散熱器實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)。

眾所周知，LED的發(fā)光效率很高，而且還因?yàn)轶w積很小而深受設(shè)計(jì)師偏愛。但只有當(dāng)不考慮散熱管理時(shí)，它們才真的“很小”。雖然與白熾燈光源高達(dá)2500℃的工作溫度相比，LED光源溫度要低得多。因此，很多設(shè)計(jì)師最終認(rèn)識(shí)到，散熱是一個(gè)大問題。盡管LED也產(chǎn)生熱量，但它相對來說不是很高，因此散熱對LED本身來說還不是一個(gè)問題。不過，驅(qū)動(dòng)LED工作的半導(dǎo)體器件允許的工作溫度低于100℃。

根據(jù)能量守恒定律，熱能必須轉(zhuǎn)移到周圍區(qū)域。LED只能使用100℃熱點(diǎn)和25℃環(huán)境溫度之間的一個(gè)很小的溫度間隙，因此只提供75 Kelvin。其結(jié)果是，需要使用一個(gè)較大的表面和powerful散熱管理。

兩個(gè)優(yōu)化塊見圖1，Group 1是LED，它基本上是不能觸摸的。它的中心部位是一個(gè)裸片和一個(gè)散熱銅金屬塊，用于連接裸片與LED的底部。從散熱的角度看，理想的解決辦法是將裸片直接邦定到散熱器上。但從大批量生產(chǎn)的角度來看，這一想法在商業(yè)上是不現(xiàn)實(shí)的。我們將LED看作是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的不能修改的“目錄”的產(chǎn)品。它是一個(gè)黑盒子。

圖1：兩個(gè)優(yōu)化模塊

Group 2包含了散熱器，它將熱源的能量傳遞到空氣中。通常情況下，周圍的空氣是自由或強(qiáng)制對流。散熱材料越不美觀，它就越需要被隱藏起來。但你隱藏的越多，冷卻的效率也越低。與之相反，可以使用美觀和高價(jià)值的材料。這些散熱材料直接暴露在空氣中，并成為看得見的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一部分。

在Groups 1和Groups 2之間的是Groups 3，它提供機(jī)械連接、電氣絕緣和熱傳遞。這似乎是矛盾的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)材料同時(shí)具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。反之亦然，幾乎每一個(gè)電氣絕緣材料也是熱障材料。

最好的折衷辦法是將LED焊接在PCB板上，PCB再用膠水粘合到金屬散熱器上。這樣PCB作為電路板的初始功能就可以得到維持。雖然PCB存在許多不