用創(chuàng)新陶瓷方法簡(jiǎn)化LED散熱設(shè)計(jì)

概念的驗(yàn)證

首先采用幾個(gè)模擬模型對(duì)采用陶瓷這一想法進(jìn)行了交叉驗(yàn)證。為預(yù)測(cè)各種設(shè)計(jì)的熱性能，發(fā)明了一種基于CFD的方法。此外，還開(kāi)發(fā)了一個(gè)優(yōu)化的4W LED陶瓷散熱器。開(kāi)發(fā)時(shí)將制造要求考慮在內(nèi)。

優(yōu)化的幾何形狀允許4W LED的工作溫度最高不超過(guò)60℃，這已經(jīng)通過(guò)了物理測(cè)試。該設(shè)計(jì)是方形布局(38×38×24mm)，并包含占據(jù)更大空間的細(xì)長(zhǎng)鰭。而具有相同幾何布局的鋁制基板(帶有安裝在PCB上的LED)可承受的溫度要高得多。根據(jù)PCB的熱傳導(dǎo)率(從4W/mK到1.5W/mK)，溫度可上升6至28K。

將熱點(diǎn)的溫度降低6k意味著可顯著減少LED的壓力。相同形狀Rubalit組件的總熱阻至少比鋁要好13％。使用Alunit可將CeramCool性能提升最少31％。如果考慮28K的熱降，則Rubalit和Alunit這兩種陶瓷材料帶來(lái)的實(shí)在的好處更要顯著得多。

方法的靈活性

這是一種靈活的方法，可用于不同目的。你可以選擇使LED工作在其最佳溫度以確保LED的長(zhǎng)壽命及更高的每瓦流明數(shù)；也可以選擇接收較高工作溫度帶來(lái)的使用壽命和效率降低。50℃到110℃是常見(jiàn)的溫度范圍。若需要更高流明，5或6W LED可配備4W散熱器。用幾個(gè)1W LED分?jǐn)偣β视兄诟倪M(jìn)散熱：65℃對(duì)應(yīng)5W；70℃對(duì)應(yīng)6W(圖4)。

隨著芯片永久可靠地與CeramCool電絕緣材料綁定在一起，該陶瓷散熱器吸收了更多熱量、變得更熱。它消除了LED的散熱負(fù)擔(dān)，對(duì)重要部件進(jìn)行了冷卻。降低了的裸片溫度也允許采用更小的表面，因此，散熱器可做得更小。

2毫米間距水冷

在很高的功率密度下，空氣冷卻會(huì)達(dá)到其極限。此時(shí)，液體冷卻是替代的選擇。CeramCool水冷就是一個(gè)例子，它得益于陶瓷惰性特征帶來(lái)的好處。這一思路與風(fēng)冷散熱器的目標(biāo)一致：即熱源和散熱通道之間的距離最短。

采用陶瓷散熱器，可以在與LED散熱塊相距僅2毫米處實(shí)施對(duì)水的冷卻。沒(méi)有其它方法可以做到這一點(diǎn)，同時(shí)又具有陶瓷的耐用特性。多層(Multilateral)電路可直接印制在陶瓷上且不會(huì)產(chǎn)生熱屏障。

定制方案的仿真模型

由于大部分采用CeramCool的應(yīng)用都是客戶定制方案，因此在構(gòu)建第一個(gè)昂貴的原型之前對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證就非常有必要。為此進(jìn)行了深入的研究來(lái)建立仿真模型。這些仿真模型已通過(guò)各種測(cè)試驗(yàn)證，并證明了它們與各測(cè)試結(jié)果的可靠相關(guān)性?；谶@一認(rèn)識(shí)，可以很容易地對(duì)新方法或新變化進(jìn)行評(píng)估。

燈具改裝和絕緣

改裝燈具的主要問(wèn)題涉及絕緣。任何改裝燈都必須采用Class II結(jié)構(gòu)，因?yàn)槟銦o(wú)法保證能提供電氣地。這意味著任何裸露的金屬部分必須通過(guò)雙重或增強(qiáng)的絕緣與主電源線隔離。

金屬散熱器的改裝往往無(wú)法做到這一點(diǎn)，因?yàn)樗鼈円蟾蟮拈g隔(如6mm客氣間隔)或雙絕緣層，這會(huì)影響散熱器的工作。GU10 LED中集成的電子驅(qū)動(dòng)器受到極其苛刻的空間限制，以致產(chǎn)品變得非常復(fù)雜。采用陶瓷散熱器，即使驅(qū)動(dòng)器完全失效，散熱器仍對(duì)主電源起著絕緣作用，所以產(chǎn)品仍是安全的。

CeramCool GU10 LED射燈可與任何LED一起工作。插座和反射器由同一種高性能陶瓷材料制成。因此，它具有安全絕緣的簡(jiǎn)單Class II結(jié)構(gòu)。一個(gè)高壓4W LED能達(dá)到的最高溫度不超過(guò)60℃，從而既延長(zhǎng)了產(chǎn)品壽命又增加了光輸出。

所有CeramCool散熱器的基板都起散熱器的作用。此時(shí)它充當(dāng)燈具甚至光源。該簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)具有極高可靠性。此外，GU10 LED射燈的安裝支架和反射器通常采用不同材料。該方案所用的材料少得多，并充分利用了陶瓷的電氣絕緣性、良好的電磁兼容性(EMC)以及高的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性等特性。

用于改進(jìn)現(xiàn)有LED系統(tǒng)的子基板

陶瓷可極大提升新的和現(xiàn)有LED系統(tǒng)的性能。利用陶瓷CeramCool子基板(submount)，可輕松取代LED和金屬散熱器之間的PCB，極大地減小了系統(tǒng)總熱阻。此舉在提供優(yōu)異的電氣絕緣和高溫穩(wěn)定性的同時(shí)，還具有諸如良好的熱傳導(dǎo)等重要優(yōu)勢(shì)。無(wú)論它是子基板還是一塊完整電路板，陶瓷都是絕對(duì)耐腐蝕的，這消除了特別是在戶外發(fā)生的電化腐蝕。

CeramCool非常適合大功率應(yīng)用，尤其是戶外的此類應(yīng)用。事實(shí)上，一種滿足不同功率等級(jí)需求的圓形散熱器系列正在開(kāi)發(fā)之中。這一方法結(jié)合了具成本效益的生產(chǎn)與高度靈活的使用兩種要求。其最終結(jié)果將是一種“半定制”產(chǎn)品系列。

金屬化和部件載體

為充分利用優(yōu)化潛力，我們也必須考慮金屬化的可能性?？刹捎媒?jīng)過(guò)驗(yàn)證的厚膜技術(shù)及其高粘附力(WNi(金)、銀、銀鈀、金、DCB、AMB等)或借助薄膜工藝及其平滑表面(可實(shí)現(xiàn)精密光角)對(duì)陶瓷進(jìn)行直接涂層。使用化學(xué)鍍鎳或金(沉浸或陰極沉積法)可獲得更好的焊接質(zhì)量。

金屬化的可能性使得散熱器的整個(gè)表面可用作電路載體，可將其與LED和驅(qū)動(dòng)器牢固地封裝在定制的電路上，同時(shí)提供了可靠的電氣絕緣。將芯片直接綁定到特殊設(shè)計(jì)的金屬表面上可簡(jiǎn)化該過(guò)程。

裝配和質(zhì)量檢查

德國(guó)著名的電子服務(wù)中心BMK可進(jìn)行這種裝配。該公司可實(shí)現(xiàn)樣機(jī)，也可進(jìn)行批量生產(chǎn)。生產(chǎn)中，采用機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)散熱器，并通過(guò)一塊模板將組件本身自動(dòng)提供的焊錫膏壓擠到組件上面。

該加工工程的下一步，是先把LED和其它元件安裝在散熱器上，再進(jìn)行后續(xù)的回流焊工序。冷卻后就得到了一個(gè)持久的綁定。先對(duì)焊接點(diǎn)和組件位置進(jìn)行目視檢查，隨后執(zhí)行100％的功能測(cè)試。到此，該產(chǎn)品已經(jīng)完成并隨時(shí)可以交付給客戶。