美國能源部（DOE）對LED做出了如下評價：沒有其它照明技術可以具有像LED這樣大的節(jié)能潛力和提升我們建筑環(huán)境品質(zhì),。由于LED的使用壽命是結(jié)溫的函數(shù),，所以熱管理對于LED的性能至關重要,。

位于California,，SanJose的Philips Lumileds Lighting應用技術經(jīng)理Rudi Hechfellner說：“到目前為止熱管理是LED系統(tǒng)設計最重要的一個方面,。LED系統(tǒng)生產(chǎn)商通過尋求優(yōu)化的散熱器,、高效印制電路板、高熱導率外殼和其它先進熱設計技術來應對這一挑戰(zhàn),。由于熱仿真可以在物理模型建立之前,，從散熱的角度評估不同設計方案和優(yōu)化系統(tǒng)級設計，所以熱仿真的作用日益凸現(xiàn),。”

圖1：解決系統(tǒng)級LED熱管理難題

LED照明的出現(xiàn)

固態(tài)發(fā)光是一項新興的技術,，其會在將來從根本上改變照明的形式。LED設計之初的功率小于50毫瓦,。在過去十年間,，LED的功率已經(jīng)上升為40～80lm/Watt。除了能效高之外,，LED的使用壽命也長,。根據(jù)不同的制造和類型，白色LED的使用壽命可以處于6000～50000小時范圍內(nèi),，高于30000小時的熒光（燈）管和2000小時的白熾燈泡,。此外，LED可以不使用過濾器就產(chǎn)生單色光,。

市場分析公司Yole Developpement說：LED在固態(tài)發(fā)光市場的收入將由2007年的10億美元上升到2012年的103億美元,。Yole預計在2012年高亮度和超高亮度結(jié)合的LED收入將達到44.5億美元，這是2007年7億8千萬的5.5倍,。這些固態(tài)發(fā)光裝置已經(jīng)成為不同應用場合的燈源選擇,，這些應用場合包括交通信號燈,、汽車和卡車的內(nèi)部和外部燈、屏幕可見顯示器,、小型LCD背后照明和裝飾照明,。最新的Isuppli報告（參考1）顯示，在一些新的場合也陸續(xù)的采用了LED,。

散熱挑戰(zhàn)

與其它的燈源相比,，高功率的LED產(chǎn)生了嚴重的散熱問題，這主要是因為LED不通過紅外輻射進行散熱,。根據(jù)美國能源部門研究顯示，用于驅(qū)動LED的功耗75％～85％最終轉(zhuǎn)換為熱能,，并且必須通過導熱的方式將熱量由LED芯片導入下部印制電路板,、散熱器、外殼或者光源結(jié)構元件等,。美國能源部能效和再生能源部門得出了一個名為“Thermal Managementof WhiteLEDs”（參考2）的報告,。簡而言之，過多的熱量會減少LED的光輸出和產(chǎn)生偏色,。

此外,，熱管理的優(yōu)劣還會產(chǎn)生一些長期的影響，諸如光輸出的減少會導致使用壽命的縮短,。美國能源部門表示：制造商通常在25℃的固定結(jié)溫下對LED進行測試,。然而，在通常情況下結(jié)點的溫度為60℃或更高,，在這些情況下LED燈的輸出可能只有額定的10％或更少,。對于鎢燈泡而言，散熱途徑是通過熱輻射的方式,，熱量直接由燈絲進入到周圍環(huán)境中,。LED裝置的主要散熱途徑是由芯片到系統(tǒng)外殼的導熱。

圖2：整個LED等的表面溫度分布（點擊圖片查看原圖）

圖3：LED燈內(nèi)部的溫度分布（點擊圖片查看原圖）

LED裝置的制造商提供了封裝級的熱管理,。對于制造商而言,，最為關注的是如何減小芯片到外部封裝的熱阻。通常一些小型安裝在平板上的LED燈有許多引線,，這些引線形成了主要的導熱路徑,，并且對于這些LED而言，其芯片到引線的熱阻至關重要,。封裝設計依據(jù)制造商和LED類型變化,，但封裝的理念卻很相似。

在這個例子中,，LED芯片通常利用粘結(jié)層（bondlayer）被貼賦到一個金屬連接層（metalinter connectlayer）,，而這個金屬連接層又被貼賦到一個陶瓷基座（Ceramic Substrate）和一個電絕緣導熱墊（ThermalPad）,。整個封裝設計的目的是最大化光學輸出和從LED芯片背部去除熱量。

Hechfellner說：即便是最高效的LED裝置也要求為其設計冷卻系統(tǒng),。由于傳統(tǒng)的燈源是通過輻射方式進行散熱,，所以他們不會產(chǎn)生此類散熱問題。許多LED制造商在電和結(jié)構方面有著比熱方面更多的經(jīng)驗,。工程師們需要改變他們的理念,，并且應該先考慮散熱后考慮電。對于LED系統(tǒng)制造商而言,，現(xiàn)今設計中面對的挑戰(zhàn)90％是由散熱所引起,，而電和結(jié)構所引起的問題僅僅占到10％。

圖4：高功率LED封裝草圖（點擊圖片查看原圖）

Hechfellner補充說：系統(tǒng)級制造商所面對的最大問題是研發(fā)一種散熱效率高的燈座,，LED裝置可以方便的插入這一燈座,，而熱量可以迅速的導入至環(huán)境中。就我所知,，當前市場上還沒有這種系統(tǒng),。改善導熱截面材料和設計工具是進行研發(fā)這類系所必須的。我們致力于創(chuàng)造一個良好的研發(fā)平臺,，諸如可以幫助精確模擬LED的仿真工具,，從而便于我們的客戶進行更好的熱設計。

LED封裝的本質(zhì)是即便LED的效率增加,，但散熱的問題依舊存在,。由于光輸出隨著溫度升高而減小，更大比例的電功率轉(zhuǎn)化為熱會進一步的提升LED的溫度,。隨著時間的推移LED的光輸出會減少,，而它的熱量又會加速LED的老化。一個常用的白色LED光通量衰減指標是磷光體泛黃,，這可能是由于受熱引起或者是環(huán)境誘發(fā),，但這并不意味著芯片低效率工作或有更多的熱量產(chǎn)生。熱管理的方案需要滿足在LED整個使用周期里都能去除熱量的要求,。

系統(tǒng)級設計考慮

每一種LED的設計考慮都是不同,，并且需要清楚的了解LED所受的尺寸限制和性能。LED系統(tǒng)設計的本質(zhì)是有效的將熱量從LED散熱片,，金屬塊或引腳傳遞到周圍環(huán)境中,。在金屬塊和印制電路板墊片間必須進行可靠和有效的連接。通常的熱量通過PCB上的熱過孔到達另一層的銅塊上,。之后熱量通過導熱的方式進入到外殼或外部散熱器中,。當一個外殼內(nèi)需要去除大量的熱時，需要一個外部散熱器。LED散熱器常用的材料是鋁或銅,。由于散熱器和空氣之間的對流換熱熱阻影響很大,，所以有必要對散熱器的幾何外形進行優(yōu)化。

散熱器的性能取決于材料,、翅片數(shù),、翅片厚和基座厚等參數(shù)。外部散熱器擴展了換熱表面,，便于熱量進入到空氣中,。優(yōu)化設計必須考慮散熱器周圍的空氣流動情況，而這一區(qū)域的空氣流動又受到散熱器的影響,，所以對設計產(chǎn)生了不小的挑戰(zhàn),。材料銅可以具有很高的熱導率，但相同體積下鋁的重量更輕,，同時價錢也更便宜,。在一些PCB中通過使用一些基板來提升傳熱能力，這些基板使用陶瓷或者覆有鐵,、鋁或其它材料。

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圖5：90置信水平下InGaNLUXEONRebel在不同結(jié)溫和驅(qū)動電流情況下的使用壽命

LED應用中最大的難題是要求用一密封的外殼來保護LED,。解決這一難題可以使用高導熱率的外殼材料,。當然也采用一些復雜的方法。例如：空對空（air-to-air）熱交換設計使用通過內(nèi)部風扇將熱量傳遞給內(nèi)部翅片,，之后熱量由內(nèi)部翅片通過導熱方式進入到外殼中,。最后通過外部風扇對連接在外殼上的外部翅片進行冷卻。熱量通過對流-導熱-對流三個步驟進入到空氣中,。很明顯,，在設計一個LED系統(tǒng)時需要考慮許多設計變量。有許多理由需要我們進行熱設計優(yōu)化,。

DOE關于熱管理的FactSheet中明確注明：過熱會影響LED短期和長期的性能,。短期的影響是產(chǎn)生偏色和減少光輸出。減小偏色對于諸如LCDTVs等緊急應用中的背光很重要,，在這些應用場合日益增加的LED功率密度促使圖像顏色發(fā)生偏差,，這就使散熱更具挑戰(zhàn)性。急劇升高的結(jié)溫會嚴重影響LED的使用壽命和可靠性,。優(yōu)化熱設計可能有對產(chǎn)品的成本也有很大影響,。例如，熱設計可能要確定是否需要使用一個散熱器,，這就會增加產(chǎn)品的成本,。

仿真的作用

絕大多數(shù)電子、原始設備生產(chǎn)商和元件提供商早已認可在產(chǎn)品研發(fā)早期就考慮散熱問題的做法。其中的許多廠商采用軟件在物理模型建立之前就進行元件和系統(tǒng)級的仿真分析,，從而避免了反復的設計改變,。然而，LED系統(tǒng)制造商習慣于以傳統(tǒng)燈源的角度來設計系統(tǒng),。問題是這些傳統(tǒng)的燈源是不必考慮散熱問題,。這些LED系統(tǒng)制造商可能不具有散熱專業(yè)知識和熟練使用CFD軟件的專家。過去十年以及當今很多CFD軟件都需要用戶具有深厚的計算流體動力學方面的專業(yè)知識,，以便確定所獲得的結(jié)果是否正確,。

舉例，用戶需要將他們的CAD模型轉(zhuǎn)換到CFD軟件中,，設定需要仿真的固體模型,，正確劃分網(wǎng)格，確定邊界條件,，選擇正確的物理模型,，設定求解設置保證收斂，以及其它的工作,。上一代CFD軟件需要進行大量的調(diào)整,，諸如手動修改網(wǎng)格以提高網(wǎng)格質(zhì)量和修改松弛促使仿真結(jié)構收斂。但最近幾年出現(xiàn)了新一代適用于工程師的CFD軟件,。這種軟件使用3DCAD模型,，自動探測流動區(qū)域和劃分網(wǎng)格，使不具有深厚計算流體動力學知識的工程師也能輕松使用,，從而便于他們著重關注產(chǎn)品的流動情況,。這一新一代CFD軟件包含了成熟的自動控制功能，不必進行手動調(diào)整就可以確保結(jié)果收斂,。

圖6：可視化流動跡線分布（點擊圖片查看原圖）

這一新一代軟件適用于LED系統(tǒng)的熱設計,。操作此類軟件僅僅需要會使用CAD軟件和了解物理模型，這些都是絕大部分工程師早已掌握的,。使用原有的3DCAD模型不僅僅節(jié)省了時間,，而且使捕捉所有LED系統(tǒng)的特征成為可能。這類軟件中也包含所有的熱交換機理,，所以其可以進行可靠的分析,。再進行CFD仿真時許多過程都會自動進行，這類軟件使LED系統(tǒng)工程師可以快速的對大量設計方案進行評估,。圖3,、4和5中顯示的燈使用了6個高功率LED。這些LED和電源都會有熱耗散,。由于不使用風扇,，所以工程師僅僅計算導熱,、自然對流和輻射。通過使用嵌入到CAD系統(tǒng)中的CFD軟件,，Voxdale工程師確定了LED和電源的所有材料以及它們的特性,。

物理測試

物理測試是一種花費昂貴、耗時又長的研究設計改變的方法,。然而,，它對于驗證最終設計方案和解決制造問題時非常有效。物理測試可以確定使用的材料特性值和驗證DieAttach中的空隙等問題,。一些測量方法充分考慮了特定裝置的溫度與正向電壓將成比例的關系,。在確定了特定測量電流下的正向電壓降之后，在LED上應用更大的電流,，從而加熱LED,。之后關閉這一電流，對LED施加一更小的電流,。

通過這一小電流可以獲得裝置的特性,，并且可以實現(xiàn)小的正向電壓降。在結(jié)溫冷卻之前可以快速的測量正向電壓,。監(jiān)測隨時間變化的溫度波動可以確定熱流是如何通過節(jié)點與外部環(huán)境中的每一層,。這就允許我們直接測量諸如DieAttach等熱流路徑上的熱阻。由于LED具有快速的熱響應,，所以需要一些可以測量微秒時間段內(nèi)裝置中溫度變化的測量硬件,。這類熱瞬態(tài)測量可能采用高精度的“結(jié)構函數(shù)”，它有助于提供LED封裝,、Die-Attach失效和其它結(jié)構完整性問題等相關信息,。

結(jié)論

LED技術使節(jié)約能源,，提高照明品質(zhì)和可靠性成為可能,。LED設計過程中熱設計是非常重要的，以便滿足其性能,、使用周期和花費的要求,。系統(tǒng)設計工程師有許多選擇來解決散熱問題。新一代嵌入至CAD的熱和流體仿真軟件有助于工程師發(fā)現(xiàn)散熱問題和快速的優(yōu)化方案,。在樣品階段可以通過測量物理模型來驗證最后的設計方案,，從而確保工藝的可行性。在這方面獲取的經(jīng)驗有助于以后產(chǎn)品設計仿真,。

在自動劃分網(wǎng)格和求解之后,，如下圖所示可以在原有CAD模型上進行仿真結(jié)果的觀察。冷空氣通過對流的方式進入到燈的內(nèi)部,，而熱空氣通過縫隙排出,。Dialight PLC使用嵌入到CAD中的CFD軟件設計LED照明系統(tǒng)。Dialight是應用LED技術方面的領導者，其主要致力于以下兩個方面：1）元件：包括用于電子設備狀態(tài)顯示的低亮度LED,。2）信號/照明：使用最新的高亮度LED技術用于交通和軌道信號燈,、障礙燈、危險場所照明,，并且致力于在更多應用場合使用LED技術,。照明產(chǎn)品Digalight VP的Gordon Routledge說：“雖然LED的效率越來越高，但是還是有大量的輸入功率轉(zhuǎn)換為熱,。電子器件和LED裝置的冷卻對于其長期的可靠性非常重要,，因此包括流動分析在內(nèi)的熱分析有助于我們完成我們的研發(fā)計劃。”