LED設計--汽車熱管理的一大挑戰(zhàn)

如今，越來越多的電子設備正被廣泛應用于汽車行業(yè)。有估計顯示，如今電子設備在一輛車的成本中占到了30%-40%。這些電子設備不僅包括發(fā)動機控制單元、制動系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)控制裝置等功能性裝置，還有更多消費電子產(chǎn)品，如娛樂和導航系統(tǒng)。最近汽車領域?qū)ED技術的使用出現(xiàn)了爆發(fā)性的增長。例如在歐洲，所有汽車都必須安裝LED行車燈。

在設計包含LED系統(tǒng)在內(nèi)的這些電子產(chǎn)品時，好的熱管理變得越來越重要。LED會不斷散發(fā)出熱量，而燈罩卻變得越來越小。亮度（和功耗）在不斷提升，但被緊密排列在一起的 LED（汽車前后燈）卻沒有配備相應的散熱風扇。因此，可靠性和性能勢必會受到影響。如果LED超過臨界結(jié)溫，就會出現(xiàn)兩個問題：LED燈變暗；如果溫度持續(xù)過高，LED燈的使用壽命就會縮短，繼而過早報廢。汽車上的LED燈的平均壽命有好幾千個小時，過早報廢將給制造商帶來額外的保修成本。優(yōu)秀的熱管理取決于良好的散熱設計。如圖1所示，LED元件是設計過程中的第一個環(huán)節(jié)。元件設計師會利用熱分析軟件和測試儀器對元件的材料和結(jié)構進行分析，確保結(jié)上產(chǎn)生的熱量可以很容易地通過LED元件層散發(fā)出來。子系統(tǒng)設計師會將LED元件排成陣列，并加入散熱器和其他冷卻裝置，然后再次對產(chǎn)品進行分析。他們可能會調(diào)整LED元件之間的間隔距離或添加額外的冷卻裝置，以確保LED燈不會超過臨界溫度。最后一步通常是由機械設計工程師利用機械計算機輔助設計(MCAD)系統(tǒng)來完成，設計師會將排列起來的LED燈放進燈罩（如汽車前燈）里，同時利用先進的計算流體力學(CFD)軟件進行熱分析。

圖1：對LED設計過程中各個環(huán)節(jié)進行熱分析是好的熱管理的必要步驟

需要注意的是，解決了元件的熱管理問題并不意味著也解決了子系統(tǒng)的熱管理問題。而解決了子系統(tǒng)的熱管理問題，也不代表系統(tǒng)的熱管理問題就解決了。只有把所有這些問題（見圖1）都解決了，才可以說這是一個好的設計。

設計的空白

那么問題出在哪里呢。整個行業(yè)多年來一直在使用出色的CFD熱分析軟件。FloTHERM等產(chǎn)品快速精確，十分好用，且無需外聘專家，公司內(nèi)部的工程師便能完成分析。但問題是，軟件分析結(jié)果的準確性，取決于所輸入的元器件模型的準確性。如果輸入的元器件模型不準確，則無論分析過程多么完美，軟件的結(jié)果也只會誤導設計者。

但關鍵是供應商提供的典型LED數(shù)據(jù)表只會出現(xiàn)其總功耗（如最大正向電流和電壓）以及結(jié)和某些參考點（如焊接點）之間的單個熱阻。并沒有熱量如何通過封裝內(nèi)各層并散發(fā)出去的信息。也沒有能夠用于界定各層熱阻和熱容的熱路徑/障礙描述。這樣一來會出現(xiàn)什么問題呢？通常熱管理專家會估測封裝的內(nèi)部結(jié)構，并創(chuàng)建一個熱模型來描述各層和各結(jié)構的熱阻和熱容情況。這種模型只要出現(xiàn)幾個百分點的偏差，就會導致分析不精確。而且并沒有驗證或判斷此類熱模型好壞的方法。

因此從根本上說，我們在設計好的散熱系統(tǒng)方面還存在空白。在產(chǎn)品開發(fā)的所有環(huán)節(jié)（元件、子系統(tǒng)和整個系統(tǒng)）中，熱分析絕對不能少。但只有在元件熱模型良好的情況下，才可能獲得好的熱分析結(jié)果。在不了解封裝元件內(nèi)部結(jié)構的情況下，我們無法界定或驗證模型的精確性，并且通常元件供應商也不會泄露這方面的知識產(chǎn)權。

填補空白

解決的方法就是，通過定義和驗證一種如圖2所示的元件簡化熱模型，在硬件測試/測量和熱分析之間建立一座橋梁?，F(xiàn)有的硬件能夠測量一個元件的散熱特征參數(shù)。有了尖端的軟件，這些測量值就能夠被轉(zhuǎn)化為簡化的熱阻和熱容網(wǎng)絡，我們在熱分析軟件即可讀取該簡化網(wǎng)絡模型。

例如，明導公司的T3Ster硬件聯(lián)接到被測元件上就能測量結(jié)的瞬態(tài)溫度變化，不論是元件的加熱過程或冷卻過程，都可精確到0.01攝氏度。在熱量從結(jié)散發(fā)到周邊環(huán)境的過程中，能夠在一分鐘內(nèi)采集到一萬多個數(shù)據(jù)點來描述結(jié)溫的瞬態(tài)變化，而結(jié)溫的瞬態(tài)變化特征就表示了元器件各層的熱阻和熱容情況。有了這些數(shù)據(jù)，利用分析軟件能夠自動生成LED簡化熱模型。一個精確有效的模型就這樣誕生了。

圖2-硬件測試和測量可用于創(chuàng)建或驗證 LED 簡化熱模式

這樣一來，我們就有效地填補了熱管理設計過程中的空白，能夠創(chuàng)建精確有效的元件熱模型。電子行業(yè)內(nèi)有很多人都在使用這種技術。

LED供應商在設計時能夠利用這種技術來測量熱性能，并對其進行優(yōu)化，之后再為客戶測量和創(chuàng)建一個熱模型。子系統(tǒng)和系統(tǒng)開發(fā)商可以用它來驗證從供應商那里獲得的熱模型或者在供應商沒有提供模型的情況下自己創(chuàng)建模型。電子設備的可靠性設計余量很小，設計責任通常落在OEM廠商身上，質(zhì)保和回收問題會直接影響他們的盈虧。他們需要百分百確認他們的產(chǎn)品設計沒有問題。

熱測量的附加效益

LED供應商和原始設備制造商目前在很多領域都會使用這一硬件技術。LED供應商將在最常見的兩個方面用到它。

第一個是無損故障診斷。在這種情況下，供應商可以利用熱測量技術對故障部分的“內(nèi)部”進行檢查，而無需將這部分分開。圖3便給出了相應的例子。用過幾小時后功能便下降的 LED就會這樣被找出來。在熱阻-熱容圖表中，藍色線條表示剛生產(chǎn)出來的LED，其它線條分別表示用過500小時、2000小時和3000小時的LED。通過水平方向可見，代表用過的LED的線條上有一個高熱阻層。這說明該位置出現(xiàn)材料分離的情況?？諝獾膶嵯禂?shù)比原有材料要小很多。這一類型的故障診斷測試能用于LED和IC封裝。

圖3 –熱阻-熱容曲線圖中水平方向上的紅線、綠線和黑線代表高熱阻層和可能的分離

第二種應用是在生產(chǎn)過程中。在生產(chǎn)LED時，膠水厚度等參數(shù)并不是固定不變的，因此這臺測試儀器可以作為生產(chǎn)線上的重要一環(huán)。先取樣，然后快速進行測試并與標準器件作對比，很快便能發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的偏差，進而給予糾正。該測試設備的投資回報率非?？捎^。因此，如今負責子系統(tǒng)和系統(tǒng)開發(fā)的LED供應商與原始設備制造商可以使用一個精確的元件來完成產(chǎn)品的設計、應用和故障分析（圖4）。

圖4 – 完整的熱測量與光學測量/標定如今已被實際應用于 LED 產(chǎn)品設計、生產(chǎn)質(zhì)量以及無損故障分析

為汽車供應鏈提供支持

請上傳jpg或者gif圖片請上傳jpg或者gif圖片請上傳jpg或者gif圖片如圖5所示為汽車產(chǎn)業(yè)的供應鏈，我們看到供應鏈上除了有汽車原始設備制造商，還有二級和一級供應商。好的熱設計要有熱分析，一級和二級供應商的設計者們都需要具有該能力。這種熱分析通過精準及時的物理測試對元件、子系統(tǒng)以及系統(tǒng)的熱測量進行支持和驗證。汽車原始設備制造商將能證明的是他們所購買的產(chǎn)品具備高度的可靠性和低能耗性能。

圖5 – 汽車供應鏈各個層級都需要熱分析和物理測試/標定

因此，雖然設計時廣泛使用快速的“虛擬樣品”，從而讓產(chǎn)品達到更快上市、更有競爭力的目的，但使用快速精確的測試和測量工具對供應鏈的作用仍不容小覷。不然，在開發(fā)可靠性余量很小的產(chǎn)品時，我們將會付出高昂的代價。