引言

　　LED的散熱問題將是限制它未來能否在市場上取得更大成功的主要因素。目前業界的很多研究都集中在散熱器上，但對LED和散熱表面之間的隔層研究較少。

　　不過，只要我們在設計思路和材料使用上做出一些改變，我們就不僅可以顯著提高熱管理性能和可靠性，而且還可以得到一個更簡化的系統。使用陶瓷作為散熱器、電路載體和產品設計的一個部分，要求我們有一些全新的思考模式和意愿，來戰勝傳統的設計模式。

　　基于計算流體力學（CFD）的仿真過程支持熱優化和產品技術設計。本文將闡述理論根據、概念驗證、以及如何最終用陶瓷散熱器實現這些改進。

　　1 模塊優化

　　眾所周知，LED的發光效率很高，而且還因為體積很小而深受設計師偏愛。但只有當不考慮散熱管理時，它們才真的“很小”。雖然與白熾燈光源高達2500℃的工作溫度相比，LED光源溫度要低得多。因此，很多設計師最終認識到，散熱是一個大問題。盡管LED也產生熱量，但它相對來說不是很高，因此散熱對LED本身來說還不是一個問題。不過，驅動LED工作的半導體器件允許的工作溫度低于100℃。

　　根據能量守恒定律，熱能必須轉移到周圍區域。LED只能使用100℃熱點和25℃環境溫度之間的一個很小的溫度間隙，因此只提供75 Kelvin。其結果是，需要使用一個較大的表面和powerful散熱管理。

　　兩個優化塊見圖1，Group 1是LED，它基本上是不能觸摸的。它的中心部位是一個裸片和一個散熱銅金屬塊，用于連接裸片與LED的底部。從散熱的角度看，理想的解決辦法是將裸片直接邦定到散熱器上。但從大批量生產的角度來看，這一想法在商業上是不現實的。我們將LED看作是一個標準化的不能修改的“目錄”的產品。它是一個黑盒子。

　　Group 2包含了散熱器，它將熱源的能量傳遞到空氣中。通常情況下，周圍的空氣是自由或強制對流。散熱材料越不美觀，它就越需要被隱藏起來。但你隱藏的越多，冷卻的效率也越低。與之相反，可以使用美觀和高價值的材料。這些散熱材料直接暴露在空氣中，并成為看得見的產品設計的一部分。

　　在Groups 1和Groups 2之間的是Groups 3，它提供機械連接、電氣絕緣和熱傳遞。這似乎是矛盾的，因為大多數材料同時具有良好的導熱和導電性。反之亦然，幾乎每一個電氣絕緣材料也是熱障材料。

　　最好的折衷辦法是將LED焊接在PCB板上，PCB再用膠水粘合到金屬散熱器上。這樣PCB作為電路板的初始功能就可以得到維持。雖然PCB存在許多不同的熱導率，但它們仍然是熱轉移的一個障礙。

　　2 散熱器選取

　　LED（裸片到散熱金屬塊）和散熱器的熱阻可以從制造商那里拿到，不過，他們有點偏向Group 3和它對總體散熱性能的重大影響。當添加除LED（Group 1）以外的所有熱阻后，你就得到了總的熱阻（RTT）（見圖2）。RTT允許你對系統散熱性能進行一個真實的比較。

　　通常的做法是僅優化散熱器。目前已有數以百計的LED散熱設計，基本上都采用鋁散熱器。但如要進一步改善散熱效果，就必須再進一步或甚至消除Group 3。電氣隔離可通過其他材料由散熱器本身來實現。我們的結論是陶瓷。陶瓷（如Rubalit（氧化鋁）或Alunit（氮化鋁））同時兼備兩種關鍵的特性，即電氣隔離和導熱。

　　Rubalit比鋁的導熱性能低一些，但Alunit比鋁的導熱性能略高。另一方面，Rubalit比Alunit便宜（見圖3）。它們的熱擴散系數可滿足半導體芯片的散熱需要。此外，它們是剛性的和耐腐蝕的，而且符合歐盟限制有害物質指令（RoHS）。

　　簡化結構（無需膠水和絕緣層等），再加上高功率LED和陶瓷散熱器之間的直接和永久邦定，為整個組裝工作創造了一個理想的操作條件。這帶來了極出的長期穩定性、安全的熱管理和高可靠性。我們已經為這一新思路申請了專利，命名為CeramCool。

　　2.1 理論依據

　　CeramCool陶瓷散熱器是電路板和散熱器的一個有效結合，它可以可靠地對熱敏感元件和電路進行冷卻。它實現了元件之間的直接和永久的連接。此外，陶瓷本身是電氣絕緣的，它可以通過使用金屬片提供邦定表面。如果需要，可以提供針對客戶的特定導體軌道結構，即使是三維的。

　　對于功率電子應用來說，直接銅邦定是可能的。陶瓷散熱器可以變成一個模塊基板，它可以密集地安裝LED和其它元件。它可以迅速地散掉所產生的熱量，又不產生任何障礙層。

　　2.2 新思路的驗證

　　使用陶瓷的想法最初在好幾個仿真模型中進行了交叉檢查。為了預測不同設計的熱性能，發明了一種基于CFD的方法。此外，還開發了一個優化的4W LED陶瓷散熱器。開發時考慮到了制造要求。

　　優化的幾何布局允許4W LED工作在60℃以下，已經通過了物理測試。設計是一個方形布局（38×38×24毫米），并包含占據更大空間的更長、更薄鰭。在鋁基板上的相同幾何布局可承受更高的溫度。取決于PCB的熱傳導性（從4W/mK到1.5W/mK），溫度會上升到6至28K之間。

　　目前，在熱點處的6K減少量意味著LED的壓力大幅減輕了。Rubalit組裝的總熱阻至少比鋁要好13%，在相同的布局下。使用Alunit時，CeramCool的最低改善會達到31%。如果有28K的熱降，那么這些扎實的結果很大程度上是上述兩種陶瓷表現極出的緣故。

　　3 解決方案

　　在本文第二部分中，我們討論了如何計算LED和散熱器的熱阻，以及如何將陶瓷進行一物兩用。在接下來的本文第三部分，我們將討論該思路的靈活性、定制解決方案的仿真模型、現有燈具改造和隔離、以及改善現有LED系統設計的分裝方法。

　　這一思路是靈活的，可用于不同的目標。你可以選擇將LED運行在一個最佳溫度，以確保長壽命和每瓦高流明數，你也可選擇將LED運行在一個更高的溫度，但接受更短的LED使用壽命和效率。從50℃至110℃的溫度分布是常見的。如果需要更多的流明數，5或6W LED設計可以配備4W散熱器。將如此高功率分解成數個1W功率LED，有助于改善熱量擴散： 5W時65℃和6W時70℃（見圖4）。

　　隨著芯片永久和可靠地邦定到電氣絕緣CeramCool上，該陶瓷散熱器就承載了更多的熱量，變得更熱。它可消除LED的散熱負擔，有效地冷卻這個關鍵元件。降低的裸片溫度也允許采用更小的表面，因此陶瓷散熱器可做得更小。

　　3.1 定制解決方案的仿真模型

　　由于大多數使用CeramCool的應用是客戶定制解決方案，因此在第一個昂貴的原型出來之前，有必要對其性能進行驗證。為此進行了大量的研究來建立仿真模型。這些仿真模型已通過各種測試驗證，并證明了與測試結果的可靠相關性。基于這一認識，新的思路或變化就很容易進行評估。

　　3.2 燈具改裝和隔離

　　燈具改裝問題主要牽涉隔離。任何改裝燈必須是Class II結構，因為你不能保證提供電氣地。這意味著任何暴露的金屬塊必須通過雙重或增強型絕緣與交流電源走線隔離。

　　金屬散熱器的改裝常常不能遵守這一點，因為它們需要更大的距離（如空中6毫米）或雙層絕緣，而這會影響散熱器正常工作。GU10 LED中集成的電子驅動器在空間上是如此受限制，以致于該產品變得非常復雜。借助陶瓷散熱器，即使驅動器完全不工作，散熱器也不會導通交流電，因此產品還是安全的。

　　CeramCool GU10 LED聚光燈可與任何LED一起工作。插座和反射器采用同一高性能陶瓷材料制造。因此，它具有安全絕緣的簡單的Class II結構。一個高壓4W LED的最高溫度只能達到60℃，既提高了LED使用壽命也增強了光輸出。

　　在所有CeramCool散熱器中，基板就變成了散熱器。在這里，它充當燈甚至燈具。這種簡化的設計提供了極高的可靠性。此外，GU10 LED聚光燈的安裝和反射器通常用不同材料制成。這一解決方案采用少得多的材料，陶瓷開發用于電氣絕緣、良好的EMC和高的機械/化學穩定性。