如何借助陶瓷散热器优化LED产品的工艺设计

作者：Donald Schelle， Marc Davis-Marsh

发光二极管（LED）因受到发热问题的制约而妨碍其成为一种理想光源的情况是可以理解的。我们对散热器给予了很大关注，但却对LED和散热表面间的各层和屏障考虑不多。

观念和材料的改变除可简化系统实现外，还可以显著提高热管理能力和可靠性。采用陶瓷作为散热器、电路载体以及产品设计的一部分不仅需要新思路，还要有克服传统模式的意愿。

基于计算流体动力学（CFD）的仿真过程支持热优化和产品工艺设计。本文将解释这种理论方法、概念验证以及如何借助陶瓷散热器最终实现这些改良。

热是什么

众所周知，LED是高能效光源，而且因为体积小深受设计师的喜爱。但只有当不涉及热管理时，它们才可以被真正地称为“小”。虽然与白炽光源高达2500℃的工作温度相比，LED光源温度要低得多。因此，许多设计师最终意识到散热是个不可忽视的问题。尽管LED仍然会发热，但其温度相对低一些，因此这不会有什么大问题。不过，基于半导体器件LED其工作温度应低于100℃。

根据能量守恒定律，热（能）必须要被传送到附近区域。LED只能工作在25℃环境温度和最高100℃之间，温差范围仅为75℃。因此，需要一个较大的散热表面和非常有效的热管理。

两个优化块

如图1所示，Group 1是LED本身，大体上仍是不能触摸。中心位置是LED裸片以及一个将该裸片与LED底部连接起来的散热铜条。从热的角度讲，理想方案是将LED裸片直接与散热器绑定在一起。由于大规模生产的原因，这一概念在商业上行不通。我们把LED看作一个标准化的“目录”产品，不能做改动。它是个黑盒子。

图1：在定义优化块时，三个Group构建成一个热管理系统。

Group 2包括散热器，散热器的功能是把热从发热源传递到散热源。通常，周围空气不是自由流动就是强制对流。散热器的材料越不雅观，就越需被隐藏。但是，它隐藏得越深，其制冷效率也就越低。当然，也可选用外观和性能都合适的材料。这些材料可以直接裸露在空气中，成为产品设计的可见部分。

在Group 1和Group 2之间是Group 3，它提供了机械连接、电气隔离和热传导。这看起来似乎很矛盾，因为大多数导热性好的材料也可导电。反之，几乎每种电绝缘材料也都隔热。

最好的折衷办法是把LED焊接到粘在金属散热器上的印刷电路板（PCB）上。PCB作为电路板的原始功能可被保留。虽然PCB具有各种热传导率，但它们都对热传导起着阻隔作用。

有效的系统热阻比较

可从制造商那里获得LED（裸片到导热片）和散热器间的热阻。不过，很少有人关注Group 3及其对整体热性能的显著影响。把除LED（Group 1）本身外的所有热阻都加在一起，可以得到总热阻（RTT）（图2）。通过RTT可进行真正的热比较。

图2：RTT指明了从LED散热片到周围环境的总热阻。

陶瓷：一种材料实现两种功能

仅优化散热器的作法很常见。目前已有上百种散热器设计，它们基本上都由铝构造。但为进一步改进性能，有必要提升甚至取消Group 3。电气隔离功能必须通过其它材料从散热器本身获得。我们认为这种材料应该是陶瓷。诸如Rubalit（氧化铝）或Alunit（氮化铝）等陶瓷材料将两个关键特性：电绝缘和热传导结合在一起。

Rubalit的导热性能比铝低，而Alunit的比铝略高。另一方面，Rubalit不像Alunit那么贵（图3）。它们的热膨胀系数可满足半导体的要求。此外，它们坚硬、耐腐蚀，并满足欧盟的有害物质限用指令 （RoHS）。陶瓷是完全惰性物质，它们是整个系统最耐用的部分。

该简化结构（无胶粘、绝缘层等）将一个大功率LED与陶瓷散热器直接且永久地绑定在一起，为整个组件创造了理想的工作条件。这带来了优异的长期稳定性，安全的热管理和高可靠性。我们已为这一方法申请了名为CeramCool的专利。

理论依据

CeramCool陶瓷散热器是电路板和散热器的有效整合，可以对热敏感元件和电路进行可靠地散热。它支持器件间直接和永久的连接。此外，陶瓷本身是不导电的，它可以通过采用金属衬垫提供绑定表面。如果需要，甚至可提供针对客户的三维导体轨道结构。

对功率电子应用来说，可采用直接铜绑定。散热器变成一个模块基板，上面可密集摆放LED和其它器件。它可迅速地散掉产生的热且不产生任何热屏障。

概念的验证

首先采用几个模拟模型对采用陶瓷这一想法进行了交叉验证。为预测各种设计的热性能，发明了一种基于CFD的方法。此外，还开发了一个优化的4W LED陶瓷散热器。开发时将制造要求考虑在内。

优化的几何形状允许4W LED的工作温度最高不超过60℃，这已经通过了物理测试。该设计是方形布局（38×38×24mm），并包含占据更大空间的细长鳍。而具有相同几何布局的铝制基板（带有安装在PCB上的LED）可承受的温度要高得多。根据PCB的热传导率（从4W/mK到1.5W/mK），温度可上升6至28K。

将热点的温度降低6k意味着可显着减少LED的压力。相同形状Rubalit组件的总热阻至少比铝要好13％。使用Alunit可将CeramCool性能提升最少31％。如果考虑28K的热降，则Rubalit和Alunit这两种陶瓷材料带来的实在的好处更要显著得多。

方法的灵活性

这是一种灵活的方法，可用于不同目的。你可以选择使LED工作在其最佳温度以确保LED的长寿命及更高的每瓦流明数；也可以选择接收较高工作温度带来的使用寿命和效率降低。50℃到110℃是常见的温度范围。若需要更高流明，5或6W LED可配备4W散热器。用几个1W LED分摊功率有助于改进散热：65℃对应5W；70℃对应6W（图4）。

随着芯片永久可靠地与CeramCool电绝缘材料绑定在一起，该陶瓷散热器吸收了更多热量、变得更热。它消除了LED的散热负担，对重要部件进行了冷却。降低了的裸片温度也允许采用更小的表面，因此，散热器可做得更小。

2 毫米间距水冷

在很高的功率密度下，空气冷却会达到其极限。此时，液体冷却是替代的选择。CeramCool水冷就是一个例子，它得益于陶瓷惰性特征带来的好处。这一思路与风冷散热器的目标一致：即热源和散热通道之间的距离最短。

采用陶瓷散热器，可以在与LED散热块相距仅2毫米处实施对水的冷却。没有其它方法可以做到这一点，同时又具有陶瓷的耐用特性。多层（Multilateral） 电路可直接印制在陶瓷上且不会产生热屏障。

定制方案的仿真模型

由于大部分采用CeramCool的应用都是客户定制方案，因此在构建第一个昂贵的原型之前对其性能进行验证就非常有必要。为此进行了深入的研究来建立仿真模型。这些仿真模型已通过各种测试验证，并证明了它们与各测试结果的可靠相关性。基于这一认识，可以很容易地对新方法或新变化进行评估。

灯具改装和绝缘

改装灯具的主要问题涉及绝缘。任何改装灯都必须采用Class II结构，因为你无法保证能提供电气地。这意味着任何裸露的金属部分必须通过双重或增强的绝缘与主电源线隔离。

金属散热器的改装往往无法做到这一点，因为它们要求更大的间隔（如6mm客气间隔）或双绝缘层，这会影响散热器的工作。GU10 LED中集成的电子驱动器受到极其苛刻的空间限制，以致产品变得非常复杂。采用陶瓷散热器，即使驱动器完全失效，散热器仍对主电源起着绝缘作用，所以产品仍是安全的。

CeramCool GU10 LED射灯可与任何LED一起工作。插座和反射器由同一种高性能陶瓷材料制成。因此，它具有安全绝缘的简单Class II结构。一个高压4W LED能达到的最高温度不超过60℃，从而既延长了产品寿命又增加了光输出。

所有CeramCool散热器的基板都起散热器的作用。此时它充当灯具甚至光源。该简化设计具有极高可靠性。此外，GU10 LED射灯的安装支架和反射器通常采用不同材料。该方案所用的材料少得多，并充分利用了陶瓷的电气绝缘性、良好的电磁兼容性（EMC）以及高的机械和化学稳定性等特性。

用于改进现有LED系统的子基板

陶瓷可极大提升新的和现有LED系统的性能。利用陶瓷CeramCool子基板（submount），可轻松取代LED和金属散热器之间的PCB，极大地减小了系统总热阻。此举在提供优异的电气绝缘和高温稳定性的同时，还具有诸如良好的热传导等重要优势。无论它是子基板还是一块完整电路板，陶瓷都是绝对耐腐蚀的，这消除了特别是在户外发生的电化腐蚀。

CeramCool非常适合大功率应用，尤其是户外的此类应用。事实上，一种满足不同功率等级需求的圆形散热器系列正在开发之中。这一方法结合了具成本效益的生产与高度灵活的使用两种要求。其最终结果将是一种“半定制”产品系列。

金属化和部件载体

为充分利用优化潜力，我们也必须考虑金属化的可能性。可采用经过验证的厚膜技术及其高粘附力 （WNi（金）、银、银钯、金、DCB、AMB等）或借助薄膜工艺及其平滑表面（可实现精密光角）对陶瓷进行直接涂层。使用化学镀镍或金（沉浸或阴极沉积法）可获得更好的焊接质量。

金属化的可能性使得散热器的整个表面可用作电路载体，可将其与LED和驱动器牢固地封装在定制的电路上，同时提供了可靠的电气绝缘。将芯片直接绑定到特殊设计的金属表面上可简化该过程。

装配和质量检查

德国著名的电子服务中心BMK可进行这种装配。该公司可实现样机，也可进行批量生产。生产中，采用机械结构实现散热器，并通过一块模板将组件本身自动提供的焊锡膏压挤到组件上面。

该加工工程的下一步，是先把LED和其它元件安装在散热器上，再进行后续的回流焊工序。冷却后就得到了一个持久的绑定。先对焊接点和组件位置进行目视检查，随后执行100％的功能测试。到此，该产品已经完成并随时可以交付给客户。

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