中心議題：

• 係統熱阻比較
• 陶瓷方法散熱

解決方案：

• 2毫米間距水冷
• 電絕緣和熱傳導結合在一起

發光二極管(LED)因受到發熱問題的製約而妨礙其成為一種理想光源的情況是可以理解的。我們對散熱器給予了很大關注
，但卻對LED和散熱表麵間的各層和屏障考慮不多。

觀念和材料的改變除可簡化係統實現外
，還可以顯著提高熱管理能力和可靠性。采用陶瓷作為散熱器
、電路載體以及產品設計的一部分不僅需要新思路，還要有克服傳統模式的意願。

熱是什麼

眾所周知
，LED是高能效光源，而且因為體積小深受設計師的喜愛。但隻有當不涉及熱管理時，它們才可以被真正地稱為“小”。雖然與白熾光源高達2500℃的工作溫度相比，LED光源溫度要低得多。因此，許多設計師最終意識到散熱是個不可忽視的問題。盡管LED仍然會發熱，但其溫度相對低一些

，因此這不會有什麼大問題。不過
，基於半導體器件LED其工作溫度應低於100℃。

根據能量守恒定律，熱(能)必須要被傳送到附近區域。LED隻能工作在25℃環境溫度和最高100℃之間


，溫差範圍僅為75℃。因此，需要一個較大的散熱表麵和非常有效的熱管理。

兩個優化塊

如圖1所示，Group1是LED本身
，大體上仍是不能觸摸。中心位置是LED裸片以及一個將該裸片與LED底部連接起來的散熱銅條。從熱的角度講
，理想方案是將LED裸片直接與散熱器綁定在一起。由於大規模生產的原因
，這一概念在商業上行不通。我們把LED看作一個標準化的“目錄”產品，不能做改動。它是個黑盒子。


圖1：在定義優化塊時
，三個Group構建成一個熱管理係統。

Group2包bao括kuo散san熱re器qi，散san熱re器qi的de功gong能neng是shi把ba熱re從cong發fa熱re源yuan傳chuan遞di到dao散san熱re源yuan。通tong常chang
，周zhou圍wei空kong氣qi不bu是shi自zi由you流liu動dong就jiu是shi強qiang製zhi對dui流liu。散san熱re器qi的de材cai料liao越yue不bu雅ya觀guan，就jiu越yue需xu被bei隱yin藏zang。但dan是shi，它ta隱yin藏zang得de越yue深shen，其qi製zhi冷leng效xiao率lv也ye就jiu越yue低di。當dang然ran，也ye可ke選xuan用yong外wai觀guan和he性xing能neng都dou合he適shi的de材cai料liao。這zhe些xie材cai料liao可ke以yi直zhi接jie裸luo露lu在zai空kong氣qi中zhong
，成cheng為wei產chan品pin設she計ji的de可ke見jian部bu分fen。
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在Group1和Group2之間是Group3，它提供了機械連接、電氣隔離和熱傳導。這看起來似乎很矛盾，因為大多數導熱性好的材料也可導電。反之
，幾乎每種電絕緣材料也都隔熱。

最好的折衷辦法是把LED焊接到粘在金屬散熱器上的印刷電路板(PCB)上。PCB作為電路板的原始功能可被保留。雖然PCB具有各種熱傳導率
，但它們都對熱傳導起著阻隔作用。

有效的係統熱阻比較

可從製造商那裏獲得LED(裸片到導熱片)和散熱器間的熱阻。不過，很少有人關注Group3及其對整體熱性能的顯著影響。把除LED(Group1)本身外的所有熱阻都加在一起
，可以得到總熱阻(RTT)(圖2)。通過RTT可進行真正的熱比較。


圖2：RTT指明了從LED散熱片到周圍環境的總熱阻。

陶瓷：一種材料實現兩種功能

僅優化散熱器的作法很常見。目前已有上百種散熱器設計，它們基本上都由鋁構造。但為進一步改進性能，有必要提升甚至取消Group3。電氣隔離功能必須通過其它材料從散熱器本身獲得。我們認為這種材料應該是陶瓷。諸如Rubalit(氧化鋁)或Alunit(氮化鋁)等陶瓷材料將兩個關鍵特性：電絕緣和熱傳導結合在一起。

Rubalit的導熱性能比鋁低
，而Alunit的比鋁略高。另一方麵，Rubalit不像Alunit那麼貴(圖3)。它們的熱膨脹係數可滿足半導體的要求。此外
，它們堅硬
、耐腐蝕，並滿足歐盟的有害物質限用指令(RoHS)。陶瓷是完全惰性物質
，它們是整個係統最耐用的部分。


該簡化結構(無膠粘、絕緣層等)將一個大功率LED與(yu)陶(tao)瓷(ci)散(san)熱(re)器(qi)直(zhi)接(jie)且(qie)永(yong)久(jiu)地(di)綁(bang)定(ding)在(zai)一(yi)起(qi)
，為(wei)整(zheng)個(ge)組(zu)件(jian)創(chuang)造(zao)了(le)理(li)想(xiang)的(de)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)。這(zhe)帶(dai)來(lai)了(le)優(you)異(yi)的(de)長(chang)期(qi)穩(wen)定(ding)性(xing)，安(an)全(quan)的(de)熱(re)管(guan)理(li)和(he)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)。我(wo)們(men)已(yi)為(wei)這(zhe)一(yi)方(fang)法(fa)申(shen)請(qing)了(le)名(ming)為(wei)CeramCool的專利。

理論依據

CeramCooltaocisanreqishidianlubanhesanreqideyouxiaozhenghe，keyiduireminganyuanjianhedianlujinxingkekaodisanre。tazhichiqijianjianzhijieheyongjiudelianjie。ciwai，taocibenshenshibudaodiande，takeyitongguocaiyongjinshuchendiantigongbangdingbiaomian。ruguoxuyao，shenzhiketigongzhenduikehudesanweidaotiguidaojiegou。

對功率電子應用來說，可采用直接銅綁定。散熱器變成一個模塊基板，上麵可密集擺放LED和其它器件。它可迅速地散掉產生的熱且不產生任何熱屏障。
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概念的驗證

首先采用幾個模擬模型對采用陶瓷這一想法進行了交叉驗證。為預測各種設計的熱性能，發明了一種基於CFD的方法。此外，還開發了一個優化的4WLED陶瓷散熱器。開發時將製造要求考慮在內。

優化的幾何形狀允許4WLED的工作溫度最高不超過60℃
，這已經通過了物理測試。該設計是方形布局(38×38×24mm)，並包含占據更大空間的細長鰭。而具有相同幾何布局的鋁製基板(帶有安裝在PCB上的LED)可承受的溫度要高得多。根據PCB的熱傳導率(從4W/mK到1.5W/mK)
，溫度可上升6至28K。

將熱點的溫度降低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的實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，可用於不同目的。你可以選擇使LED工作在其最佳溫度以確保LED的長壽命及更高的每瓦流明數；也可以選擇接收較高工作溫度帶來的使用壽命和效率降低。50℃到110℃是常見的溫度範圍。若需要更高流明
，5或6WLED可配備4W散熱器。用幾個1WLED分攤功率有助於改進散熱：65℃對應5W；70℃對應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的散熱負擔，對重要部件進行了冷卻。降低了的裸片溫度也允許采用更小的表麵，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，空氣冷卻會達到其極限。此時，液體冷卻是替代的選擇。CeramCool水冷就是一個例子，它得益於陶瓷惰性特征帶來的好處。這一思路與風冷散熱器的目標一致：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毫米處實施對水的冷卻。沒有其它方法可以做到這一點
，同時又具有陶瓷的耐用特性。多層(Multilateral)電路可直接印製在陶瓷上且不會產生熱屏障。

定製方案的仿真模型

由於大部分采用CeramCool的de應ying用yong都dou是shi客ke戶hu定ding製zhi方fang案an
，因yin此ci在zai構gou建jian第di一yi個ge昂ang貴gui的de原yuan型xing之zhi前qian對dui其qi性xing能neng進jin行xing驗yan證zheng就jiu非fei常chang有you必bi要yao。為wei此ci進jin行xing了le深shen入ru的de研yan究jiu來lai建jian立li仿fang真zhen模mo型xing。這zhe些xie仿fang真zhen模mo型xing已yi通tong過guo各ge種zhong測ce試shi驗yan證zheng
，並bing證zheng明ming了le它ta們men與yu各ge測ce試shi結jie果guo的de可ke靠kao相xiang關guan性xing。基ji於yu這zhe一yi認ren識shi
，可ke以yi很hen容rong易yi地di對dui新xin方fang法fa或huo新xin變bian化hua進jin行xing評ping估gu。

燈具改裝和絕緣

改裝燈具的主要問題涉及絕緣。任何改裝燈都必須采用ClassII結構，因為你無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雙重或增強的絕緣與主電源線隔離。

金屬散熱器的改裝往往無法做到這一點
，因為它們要求更大的間隔(如6mm客氣間隔)或雙絕緣層
，這會影響散熱器的工作。GU10LED中(zhong)集(ji)成(cheng)的(de)電(dian)子(zi)驅(qu)動(dong)器(qi)受(shou)到(dao)極(ji)其(qi)苛(ke)刻(ke)的(de)空(kong)間(jian)限(xian)製(zhi)，以(yi)致(zhi)產(chan)品(pin)變(bian)得(de)非(fei)常(chang)複(fu)雜(za)。采(cai)用(yong)陶(tao)瓷(ci)散(san)熱(re)器(qi)
，即(ji)使(shi)驅(qu)動(dong)器(qi)完(wan)全(quan)失(shi)效(xiao)，散(san)熱(re)器(qi)仍(reng)對(dui)主(zhu)電(dian)源(yuan)起(qi)著(zhe)絕(jue)緣(yuan)作(zuo)用(yong)，所(suo)以(yi)產(chan)品(pin)仍(reng)是(shi)安(an)全(quan)的(de)。

CeramCoolGU10LED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製成。因此，它具有安全絕緣的簡單ClassII結構。一個高壓4WLED能達到的最高溫度不超過60℃
，從而既延長了產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。此時它充當燈具甚至光源。該簡化設計具有極高可靠性。此外，GU10LED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，並充分利用了陶瓷的電氣絕緣性
、良好的電磁兼容性(EMC)以及高的機械和化學穩定性等特性。

用於改進現有LED係統的子基板

陶瓷可極大提升新的和現有LED係統的性能。利用陶瓷CeramCool子基板(submount)
，可輕鬆取代LED和金屬散熱器之間的PCB，極ji大da地di減jian小xiao了le係xi統tong總zong熱re阻zu。此ci舉ju在zai提ti供gong優you異yi的de電dian氣qi絕jue緣yuan和he高gao溫wen穩wen定ding性xing的de同tong時shi，還hai具ju有you諸zhu如ru良liang好hao的de熱re傳chuan導dao等deng重zhong要yao優you勢shi。無wu論lun它ta是shi子zi基ji板ban還hai是shi一yi塊kuai完wan整zheng電dian路lu板ban，陶tao瓷ci都dou是shi絕jue對dui耐nai腐fu蝕shi的de
，這zhe消xiao除chu了le特te別bie是shi在zai戶hu外wai發fa生sheng的de電dian化hua腐fu蝕shi。

CeramCoolfeichangshihedagonglvyingyong，youqishihuwaidecileiyingyong。shishishang

，yizhongmanzubutonggonglvdengjixuqiudeyuanxingsanreqixiliezhengzaikaifazhizhong。zheyifangfajiehelejuchengbenxiaoyideshengchanyugaodulinghuodeshiyongliangzhongyaoqiu。qizuizhongjieguojiangshiyizhong“半定製”產品係列。

金屬化和部件載體

為充分利用優化潛力，我們也必須考慮金屬化的可能性。可采用經過驗證的厚膜技術及其高粘附力(WNi(金)、銀、銀鈀、金、DCB、AMB等)或借助薄膜工藝及其平滑表麵(可實現精密光角)對陶瓷進行直接塗層。使用化學鍍鎳或金(沉浸或陰極沉積法)可獲得更好的焊接質量。

金屬化的可能性使得散熱器的整個表麵可用作電路載體，可將其與LED和驅動器牢固地封裝在定製的電路上，同時提供了可靠的電氣絕緣。將芯片直接綁定到特殊設計的金屬表麵上可簡化該過程。

裝配和質量檢查

德國著名的電子服務中心BMK可(ke)進(jin)行(xing)這(zhe)種(zhong)裝(zhuang)配(pei)。該(gai)公(gong)司(si)可(ke)實(shi)現(xian)樣(yang)機(ji)，也(ye)可(ke)進(jin)行(xing)批(pi)量(liang)生(sheng)產(chan)。生(sheng)產(chan)中(zhong)，采(cai)用(yong)機(ji)械(xie)結(jie)構(gou)實(shi)現(xian)散(san)熱(re)器(qi)，並(bing)通(tong)過(guo)一(yi)塊(kuai)模(mo)板(ban)將(jiang)組(zu)件(jian)本(ben)身(shen)自(zi)動(dong)提(ti)供(gong)的(de)焊(han)錫(xi)膏(gao)壓(ya)擠(ji)到(dao)組(zu)件(jian)上(shang)麵(mian)。

該加工工程的下一步，是先把LED和he其qi它ta元yuan件jian安an裝zhuang在zai散san熱re器qi上shang，再zai進jin行xing後hou續xu的de回hui流liu焊han工gong序xu。冷leng卻que後hou就jiu得de到dao了le一yi個ge持chi久jiu的de綁bang定ding。先xian對dui焊han接jie點dian和he組zu件jian位wei置zhi進jin行xing目mu視shi檢jian查zha，隨sui後hou執zhi行xing100％的功能測試。到此
，該產品已經完成並隨時可以交付給客戶。