LED設計--汽車(chē)熱管理的一大挑戰

如今，越來(lái)越多的電子設備正被廣泛應用于汽車(chē)行業(yè)。有估計顯示，如今電子設備在一輛車(chē)的成本中占到了30%-40%。這些電子設備不僅包括發(fā)動(dòng)機控制單元、制動(dòng)系統和傳動(dòng)系統控制裝置等功能性裝置，還有更多消費電子產(chǎn)品，如娛樂(lè )和導航系統。最近汽車(chē)領(lǐng)域對LED技術(shù)的使用出現了爆發(fā)性的增長(cháng)。例如在歐洲，所有汽車(chē)都必須安裝LED行車(chē)燈。

在設計包含LED系統在內的這些電子產(chǎn)品時(shí)，好的熱管理變得越來(lái)越重要。LED會(huì )不斷散發(fā)出熱量，而燈罩卻變得越來(lái)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(chē)前后燈）卻沒(méi)有配備相應的散熱風(fēng)扇。因此，可靠性和性能勢必會(huì )受到影響。如果LED超過(guò)臨界結溫，就會(huì )出現兩個(gè)問(wèn)題：LED燈變暗；如果溫度持續過(guò)高，LED燈的使用壽命就會(huì )縮短，繼而過(guò)早報廢。汽車(chē)上的LED燈的平均壽命有好幾千個(gè)小時(shí)，過(guò)早報廢將給制造商帶來(lái)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(guò)程中的第一個(gè)環(huán)節。元件設計師會(huì )利用熱分析軟件和測試儀器對元件的材料和結構進(jìn)行分析，確保結上產(chǎn)生的熱量可以很容易地通過(guò)LED元件層散發(fā)出來(lái)。子系統設計師會(huì )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(jìn)行分析。他們可能會(huì )調整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(huì )超過(guò)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)系統來(lái)完成，設計師會(huì )將排列起來(lái)的LED燈放進(jìn)燈罩（如汽車(chē)前燈）里，同時(shí)利用先進(jìn)的計算流體力學(xué)(CFD)軟件進(jìn)行熱分析。

圖1：對LED設計過(guò)程中各個(gè)環(huán)節進(jìn)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(wèn)題并不意味著(zhù)也解決了子系統的熱管理問(wèn)題。而解決了子系統的熱管理問(wèn)題，也不代表系統的熱管理問(wèn)題就解決了。只有把所有這些問(wèn)題（見(jiàn)圖1）都解決了，才可以說(shuō)這是一個(gè)好的設計。

設計的空白

那么問(wèn)題出在哪里呢。整個(gè)行業(yè)多年來(lái)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(wú)需外聘專(zhuān)家，公司內部的工程師便能完成分析。但問(wèn)題是，軟件分析結果的準確性，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(wú)論分析過(guò)程多么完美，軟件的結果也只會(huì )誤導設計者。

但關(guān)鍵是供應商提供的典型LED數據表只會(huì )出現其總功耗（如最大正向電流和電壓）以及結和某些參考點(diǎn)（如焊接點(diǎn)）之間的單個(gè)熱阻。并沒(méi)有熱量如何通過(guò)封裝內各層并散發(fā)出去的信息。也沒(méi)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(lái)會(huì )出現什么問(wèn)題呢？通常熱管理專(zhuān)家會(huì )估測封裝的內部結構，并創(chuàng )建一個(gè)熱模型來(lái)描述各層和各結構的熱阻和熱容情況。這種模型只要出現幾個(gè)百分點(diǎn)的偏差，就會(huì )導致分析不精確。而且并沒(méi)有驗證或判斷此類(lèi)熱模型好壞的方法。

因此從根本上說(shuō)，我們在設計好的散熱系統方面還存在空白。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的所有環(huán)節（元件、子系統和整個(gè)系統）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果。在不了解封裝元件內部結構的情況下，我們無(wú)法界定或驗證模型的精確性，并且通常元件供應商也不會(huì )泄露這方面的知識產(chǎn)權。

填補空白

解決的方法就是，通過(guò)定義和驗證一種如圖2所示的元件簡(jiǎn)化熱模型，在硬件測試/測量和熱分析之間建立一座橋梁?，F有的硬件能夠測量一個(gè)元件的散熱特征參數。有了尖端的軟件，這些測量值就能夠被轉化為簡(jiǎn)化的熱阻和熱容網(wǎng)絡(luò )，我們在熱分析軟件即可讀取該簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )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的瞬態(tài)溫度變化，不論是元件的加熱過(guò)程或冷卻過(guò)程，都可精確到0.01攝氏度。在熱量從結散發(fā)到周邊環(huán)境的過(guò)程中，能夠在一分鐘內采集到一萬(wàn)多個(gè)數據點(diǎn)來(lái)描述結溫的瞬態(tài)變化，而結溫的瞬態(tài)變化特征就表示了元器件各層的熱阻和熱容情況。有了這些數據，利用分析軟件能夠自動(dòng)生成LED簡(jiǎn)化熱模型。一個(gè)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(jiǎn)化熱模式

這樣一來(lái)，我們就有效地填補了熱管理設計過(guò)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)內有很多人都在使用這種技術(shù)。

LED供應商在設計時(shí)能夠利用這種技術(shù)來(lái)測量熱性能，并對其進(jìn)行優(yōu)化，之后再為客戶(hù)測量和創(chuàng )建一個(gè)熱模型。子系統和系統開(kāi)發(fā)商可以用它來(lái)驗證從供應商那里獲得的熱模型或者在供應商沒(méi)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(chǎng)商身上，質(zhì)保和回收問(wèn)題會(huì )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(méi)有問(wèn)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(lǐng)域都會(huì )使用這一硬件技術(shù)。LED供應商將在最常見(jiàn)的兩個(gè)方面用到它。

第一個(gè)是無(wú)損故障診斷。在這種情況下，供應商可以利用熱測量技術(shù)對故障部分的“內部”進(jìn)行檢查，而無(wú)需將這部分分開(kāi)。圖3便給出了相應的例子。用過(guò)幾小時(shí)后功能便下降的 LED就會(huì )這樣被找出來(lái)。在熱阻-熱容圖表中，藍色線(xiàn)條表示剛生產(chǎn)出來(lái)的LED，其它線(xiàn)條分別表示用過(guò)500小時(shí)、2000小時(shí)和3000小時(shí)的LED。通過(guò)水平方向可見(jiàn)，代表用過(guò)的LED的線(xiàn)條上有一個(gè)高熱阻層。這說(shuō)明該位置出現材料分離的情況?？諝獾膶嵯禂当仍胁牧弦『芏?。這一類(lèi)型的故障診斷測試能用于LED和IC封裝。

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

第二種應用是在生產(chǎn)過(guò)程中。在生產(chǎn)LED時(shí)，膠水厚度等參數并不是固定不變的，因此這臺測試儀器可以作為生產(chǎn)線(xiàn)上的重要一環(huán)。先取樣，然后快速進(jìn)行測試并與標準器件作對比，很快便能發(fā)現生產(chǎn)過(guò)程中的偏差，進(jìn)而給予糾正。該測試設備的投資回報率非?？捎^(guān)。因此，如今負責子系統和系統開(kāi)發(fā)的LED供應商與原始設備制造商可以使用一個(gè)精確的元件來(lái)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(xué)測量/標定如今已被實(shí)際應用于 LED 產(chǎn)品設計、生產(chǎn)質(zhì)量以及無(wú)損故障分析

為汽車(chē)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(chē)產(chǎn)業(yè)的供應鏈，我們看到供應鏈上除了有汽車(chē)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(guò)精準及時(shí)的物理測試對元件、子系統以及系統的熱測量進(jìn)行支持和驗證。汽車(chē)原始設備制造商將能證明的是他們所購買(mǎi)的產(chǎn)品具備高度的可靠性和低能耗性能。

圖5 – 汽車(chē)供應鏈各個(gè)層級都需要熱分析和物理測試/標定

因此，雖然設計時(shí)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(kāi)發(fā)可靠性余量很小的產(chǎn)品時(shí)，我們將會(huì )付出高昂的代價(jià)。