全面解決系統級LED熱管理難題

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

位于California，SanJose的Philips Lumileds Lighting應用技術(shù)經(jīng)理Rudi Hechfellner說(shuō)：“到目前為止熱管理是LED系統設計最重要的一個(gè)方面。LED系統生產(chǎn)商通過(guò)尋求優(yōu)化的散熱器、高效印制電路板、高熱導率外殼和其它先進(jìn)熱設計技術(shù)來(lái)應對這一挑戰。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計方案和優(yōu)化系統級設計，所以熱仿真的作用日益凸現。”

圖1：解決系統級LED熱管理難題

LED照明的出現

固態(tài)發(fā)光是一項新興的技術(shù)，其會(huì )在將來(lái)從根本上改變照明的形式。LED設計之初的功率小于50毫瓦。在過(guò)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(cháng)。根據不同的制造和類(lèi)型，白色LED的使用壽命可以處于6000～50000小時(shí)范圍內，高于30000小時(shí)的熒光（燈）管和2000小時(shí)的白熾燈泡。此外，LED可以不使用過(guò)濾器就產(chǎn)生單色光。

市場(chǎng)分析公司Yole Developpement說(shuō)：LED在固態(tài)發(fā)光市場(chǎng)的收入將由2007年的10億美元上升到2012年的103億美元。Yole預計在2012年高亮度和超高亮度結合的LED收入將達到44.5億美元，這是2007年7億8千萬(wàn)的5.5倍。這些固態(tài)發(fā)光裝置已經(jīng)成為不同應用場(chǎng)合的燈源選擇，這些應用場(chǎng)合包括交通信號燈、汽車(chē)和卡車(chē)的內部和外部燈、屏幕可見(jiàn)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(chǎng)合也陸續的采用了LED。

散熱挑戰

與其它的燈源相比，高功率的LED產(chǎn)生了嚴重的散熱問(wèn)題，這主要是因為L(cháng)ED不通過(guò)紅外輻射進(jìn)行散熱。根據美國能源部門(mén)研究顯示，用于驅動(dòng)LED的功耗75％～85％最終轉換為熱能，并且必須通過(guò)導熱的方式將熱量由LED芯片導入下部印制電路板、散熱器、外殼或者光源結構元件等。美國能源部能效和再生能源部門(mén)得出了一個(gè)名為“Thermal Managementof WhiteLEDs”（參考2）的報告。簡(jiǎn)而言之，過(guò)多的熱量會(huì )減少LED的光輸出和產(chǎn)生偏色。

此外，熱管理的優(yōu)劣還會(huì )產(chǎn)生一些長(cháng)期的影響，諸如光輸出的減少會(huì )導致使用壽命的縮短。美國能源部門(mén)表示：制造商通常在25℃的固定結溫下對LED進(jìn)行測試。然而，在通常情況下結點(diǎn)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(guò)熱輻射的方式，熱量直接由燈絲進(jìn)入到周?chē)h(huán)境中。LED裝置的主要散熱途徑是由芯片到系統外殼的導熱。

圖2：整個(gè)LED等的表面溫度分布

圖3：LED燈內部的溫度分布

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(xiàn)，這些引線(xiàn)形成了主要的導熱路徑，并且對于這些LED而言，其芯片到引線(xiàn)的熱阻至關(guān)重要。封裝設計依據制造商和LED類(lèi)型變化，但封裝的理念卻很相似。

在這個(gè)例子中，LED芯片通常利用粘結層（bondlayer）被貼賦到一個(gè)金屬連接層（metalinter connectlayer），而這個(gè)金屬連接層又被貼賦到一個(gè)陶瓷基座（Ceramic Substrate）和一個(gè)電絕緣導熱墊（ThermalPad）。整個(gè)封裝設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(shuō)：即便是最高效的LED裝置也要求為其設計冷卻系統。由于傳統的燈源是通過(guò)輻射方式進(jìn)行散熱，所以他們不會(huì )產(chǎn)生此類(lèi)散熱問(wèn)題。許多LED制造商在電和結構方面有著(zhù)比熱方面更多的經(jīng)驗。工程師們需要改變他們的理念，并且應該先考慮散熱后考慮電。對于LED系統制造商而言，現今設計中面對的挑戰90％是由散熱所引起，而電和結構所引起的問(wèn)題僅僅占到10％。

圖4：高功率LED封裝草圖（點(diǎn)擊圖片查看原圖）

Hechfellner補充說(shuō)：系統級制造商所面對的最大問(wèn)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入至環(huán)境中。就我所知，當前市場(chǎng)上還沒(méi)有這種系統。改善導熱截面材料和設計工具是進(jìn)行研發(fā)這類(lèi)系所必須的。我們致力于創(chuàng )造一個(gè)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(hù)進(jìn)行更好的熱設計。

LED封裝的本質(zhì)是即便LED的效率增加，但散熱的問(wèn)題依舊存在。由于光輸出隨著(zhù)溫度升高而減小，更大比例的電功率轉化為熱會(huì )進(jìn)一步的提升LED的溫度。隨著(zhù)時(shí)間的推移LED的光輸出會(huì )減少，而它的熱量又會(huì )加速LED的老化。一個(gè)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(zhù)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(mǎn)足在LED整個(gè)使用周期里都能去除熱量的要求。

系統級設計考慮

每一種LED的設計考慮都是不同，并且需要清楚的了解LED所受的尺寸限制和性能。LED系統設計的本質(zhì)是有效的將熱量從LED散熱片，金屬塊或引腳傳遞到周?chē)h(huán)境中。在金屬塊和印制電路板墊片間必須進(jìn)行可靠和有效的連接。通常的熱量通過(guò)PCB上的熱過(guò)孔到達另一層的銅塊上。之后熱量通過(guò)導熱的方式進(jìn)入到外殼或外部散熱器中。當一個(gè)外殼內需要去除大量的熱時(shí)，需要一個(gè)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(jìn)行優(yōu)化。

散熱器的性能取決于材料、翅片數、翅片厚和基座厚等參數。外部散熱器擴展了換熱表面，便于熱量進(jìn)入到空氣中。優(yōu)化設計必須考慮散熱器周?chē)目諝饬鲃?dòng)情況，而這一區域的空氣流動(dòng)又受到散熱器的影響，所以對設計產(chǎn)生了不小的挑戰。材料銅可以具有很高的熱導率，但相同體積下鋁的重量更輕，同時(shí)價(jià)錢(qián)也更便宜。在一些PCB中通過(guò)使用一些基板來(lái)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。

（點(diǎn)擊圖片查看原圖）

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

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

DOE關(guān)于熱管理的FactSheet中明確注明：過(guò)熱會(huì )影響LED短期和長(cháng)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等緊急應用中的背光很重要，在這些應用場(chǎng)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性。急劇升高的結溫會(huì )嚴重影響LED的使用壽命和可靠性。優(yōu)化熱設計可能有對產(chǎn)品的成本也有很大影響。例如，熱設計可能要確定是否需要使用一個(gè)散熱器，這就會(huì )增加產(chǎn)品的成本。

仿真的作用

絕大多數電子、原始設備生產(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(wèn)題的做法。其中的許多廠(chǎng)商采用軟件在物理模型建立之前就進(jìn)行元件和系統級的仿真分析，從而避免了反復的設計改變。然而，LED系統制造商習慣于以傳統燈源的角度來(lái)設計系統。問(wèn)題是這些傳統的燈源是不必考慮散熱問(wèn)題。這些LED系統制造商可能不具有散熱專(zhuān)業(yè)知識和熟練使用CFD軟件的專(zhuān)家。過(guò)去十年以及當今很多CFD軟件都需要用戶(hù)具有深厚的計算流體動(dòng)力學(xué)方面的專(zhuān)業(yè)知識，以便確定所獲得的結果是否正確。

舉例，用戶(hù)需要將他們的CAD模型轉換到CFD軟件中，設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，設定求解設置保證收斂，以及其它的工作。上一代CFD軟件需要進(jìn)行大量的調整，諸如手動(dòng)修改網(wǎng)格以提高網(wǎng)格質(zhì)量和修改松弛促使仿真結構收斂。但最近幾年出現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(dòng)探測流動(dòng)區域和劃分網(wǎng)格，使不具有深厚計算流體動(dòng)力學(xué)知識的工程師也能輕松使用，從而便于他們著(zhù)重關(guān)注產(chǎn)品的流動(dòng)情況。這一新一代CFD軟件包含了成熟的自動(dòng)控制功能，不必進(jìn)行手動(dòng)調整就可以確保結果收斂。

圖6：可視化流動(dòng)跡線(xiàn)分布（點(diǎn)擊圖片查看原圖）

這一新一代軟件適用于LED系統的熱設計。操作此類(lèi)軟件僅僅需要會(huì )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模型不僅僅節省了時(shí)間，而且使捕捉所有LED系統的特征成為可能。這類(lèi)軟件中也包含所有的熱交換機理，所以其可以進(jìn)行可靠的分析。再進(jìn)行CFD仿真時(shí)許多過(guò)程都會(huì )自動(dòng)進(jìn)行，這類(lèi)軟件使LED系統工程師可以快速的對大量設計方案進(jìn)行評估。圖3、4和5中顯示的燈使用了6個(gè)高功率LED。這些LED和電源都會(huì )有熱耗散。由于不使用風(fēng)扇，所以工程師僅僅計算導熱、自然對流和輻射。通過(guò)使用嵌入到CAD系統中的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(shí)又長(cháng)的研究設計改變的方法。然而，它對于驗證最終設計方案和解決制造問(wèn)題時(shí)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(wèn)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(guò)這一小電流可以獲得裝置的特性，并且可以實(shí)現小的正向電壓降。在結溫冷卻之前可以快速的測量正向電壓。監測隨時(shí)間變化的溫度波動(dòng)可以確定熱流是如何通過(guò)節點(diǎn)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，所以需要一些可以測量微秒時(shí)間段內裝置中溫度變化的測量硬件。這類(lèi)熱瞬態(tài)測量可能采用高精度的“結構函數”，它有助于提供LED封裝、Die-Attach失效和其它結構完整性問(wèn)題等相關(guān)信息。

結論

LED技術(shù)使節約能源，提高照明品質(zhì)和可靠性成為可能。LED設計過(guò)程中熱設計是非常重要的，以便滿(mǎn)足其性能、使用周期和花費的要求。系統設計工程師有許多選擇來(lái)解決散熱問(wèn)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)現散熱問(wèn)題和快速的優(yōu)化方案。在樣品階段可以通過(guò)測量物理模型來(lái)驗證最后的設計方案，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)品設計仿真。

在自動(dòng)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(jìn)行仿真結果的觀(guān)察。冷空氣通過(guò)對流的方式進(jìn)入到燈的內部，而熱空氣通過(guò)縫隙排出。Dialight PLC使用嵌入到CAD中的CFD軟件設計LED照明系統。Dialight是應用LED技術(shù)方面的領(lǐng)導者，其主要致力于以下兩個(gè)方面：1）元件：包括用于電子設備狀態(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(chǎng)所照明，并且致力于在更多應用場(chǎng)合使用LED技術(shù)。照明產(chǎn)品Digalight VP的Gordon Routledge說(shuō)：“雖然LED的效率越來(lái)越高，但是還是有大量的輸入功率轉換為熱。電子器件和LED裝置的冷卻對于其長(cháng)期的可靠性非常重要，因此包括流動(dòng)分析在內的熱分析有助于我們完成我們的研發(fā)計劃。”