LED設(shè)計(jì)—汽車熱管理的一大挑戰(zhàn)

flotherm 2019-02-18

如今，越來越多的電子設(shè)備正被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。有估計(jì)顯示，如今電子設(shè)備在一輛車的成本中占到了30%-40%。這些電子設(shè)備不僅包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、制動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)控制裝置等功能性裝置，還有更多消費(fèi)電子產(chǎn)品，如娛樂和導(dǎo)航系統(tǒng)。最近汽車領(lǐng)域?qū)?LED 技術(shù)的使用出現(xiàn)了爆發(fā)性的增長(zhǎng)。例如在歐洲，所有汽車都必須安裝LED行車燈。

在設(shè)計(jì)包含 LED 系統(tǒng)在內(nèi)的這些電子產(chǎn)品時(shí)，好的熱管理變得越來越重要。LED會(huì)不斷散發(fā)出熱量，而燈罩卻變得越來越小。亮度（和功耗）在不斷提升，但被緊密排列在一起的 LED（汽車前后燈）卻沒有配備相應(yīng)的散熱風(fēng)扇。

因此，可靠性和性能勢(shì)必會(huì)受到影響。如果 LED 超過臨界結(jié)溫，就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問題：LED 燈變暗；如果溫度持續(xù)過高，LED 燈的使用壽命就會(huì)縮短，繼而過早報(bào)廢。汽車上的 LED 燈的平均壽命有好幾千個(gè)小時(shí)，過早報(bào)廢將給制造商帶來額外的保修成本。

優(yōu)秀的熱管理取決于良好的散熱設(shè)計(jì)。如圖 1 所示，LED 元件是設(shè)計(jì)過程中的第一個(gè)環(huán)節(jié)。元件設(shè)計(jì)師會(huì)利用熱分析軟件和測(cè)試儀器對(duì)元件的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確保結(jié)上產(chǎn)生的熱量可以很容易地通過 LED元件層散發(fā)出來。子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師會(huì)將 LED 元件排成陣列，并加入散熱器和其他冷卻裝置，然后再次對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析。他們可能會(huì)調(diào)整 LED 元件之間的間隔距離或添加額外的冷卻裝置，以確保 LED 燈不會(huì)超過臨界溫度。

最后一步通常是由機(jī)械設(shè)計(jì)工程師利用機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (MCAD) 系統(tǒng)來完成，設(shè)計(jì)師會(huì)將排列起來的 LED 燈放進(jìn)燈罩（如汽車前燈）里，同時(shí)利用先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué) (CFD) 軟件進(jìn)行熱分析。

圖1：對(duì) LED設(shè)計(jì)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行熱分析是好的熱管理的必要步驟

需要注意的是，解決了元件的熱管理問題并不意味著也解決了子系統(tǒng)的熱管理問題。而解決了子系統(tǒng)的熱管理問題，也不代表系統(tǒng)的熱管理問題就解決了。只有把所有這些問題（見圖 1）都解決了，才可以說這是一個(gè)好的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)的空白

那么問題出在哪里呢？整個(gè)行業(yè)多年來一直在使用出色的 CFD 熱分析軟件。FloTH ERM 等產(chǎn)品快速精確，十分好用，且無需外聘專家，公司內(nèi)部的工程師便能完成分析。但問題是，軟件分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，取決于所輸入的元器件模型的準(zhǔn)確性。如果輸入的元器件模型不準(zhǔn)確，則無論分析過程多么完美，軟件的結(jié)果也只會(huì)誤導(dǎo)設(shè)計(jì)者。

但關(guān)鍵是供應(yīng)商提供的典型LED數(shù)據(jù)表只會(huì)出現(xiàn)其總功耗（如最大正向電流和電壓）以及結(jié)合某些參考點(diǎn)（如焊接點(diǎn)）之間的單個(gè)熱阻。并沒有熱量如何通過封裝內(nèi)各層并散發(fā)出去的信息。也沒有能夠用于界定各層熱阻和熱容的熱路徑/障礙描述。

這樣一來會(huì)出現(xiàn)什么問題呢？通常熱管理專家會(huì)估測(cè)封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并創(chuàng)建一個(gè)熱模型來描述各層和各結(jié)構(gòu)的熱阻和熱容情況。這種模型只要出現(xiàn)幾個(gè)百分點(diǎn)的偏差，就會(huì)導(dǎo)致分析不精確。而且并沒有驗(yàn)證或判斷此類熱模型好壞的方法。

因此從根本上說，我們?cè)谠O(shè)計(jì)好的散熱系統(tǒng)方面還存在空白。在產(chǎn)品開發(fā)的所有環(huán)節(jié)（元件、子系統(tǒng)和整個(gè)系統(tǒng)）中，熱分析絕對(duì)不能少。但只有在元件熱模型良好的情況下，才可能獲得好的熱分析結(jié)果。在不了解封裝元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，我們無法界定或驗(yàn)證模型的精確性，并且通常元件供應(yīng)商也不會(huì)泄露這方面的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

填補(bǔ)空白

解決的方法就是，通過定義和驗(yàn)證一種如圖 2 所示的元件簡(jiǎn)化熱模型，在硬件測(cè)試/測(cè)量和熱分析之間建立一座橋梁。現(xiàn)有的硬件能夠測(cè)量一個(gè)元件的散熱特征參數(shù)。有了尖端的軟件，這些測(cè)量值就能夠被轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)化的熱阻和熱容網(wǎng)絡(luò)，我們?cè)跓岱治鲕浖纯勺x取該簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)模型。

例如， T3Ster 硬件聯(lián)接到被測(cè)元件上就能測(cè)量結(jié)的瞬態(tài)溫度變化，不論是元件的加熱過程或冷卻過程，都可精確到 0.01 攝氏度。在熱量從結(jié)散發(fā)到周邊環(huán)境的過程中，能夠在一分鐘內(nèi)采集到一萬多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來描述結(jié)溫的瞬態(tài)變化，而結(jié)溫的瞬態(tài)變化特征就表示了元器件各層的熱阻和熱容情況。有了這些數(shù)據(jù)，利用分析軟件能夠自動(dòng)生成 LED 簡(jiǎn)化熱模型。一個(gè)精確有效的模型就這樣誕生了。

圖2：硬件測(cè)試和測(cè)量可用于創(chuàng)建或驗(yàn)證 LED 簡(jiǎn)化熱模式

這樣一來，我們就有效地填補(bǔ)了熱管理設(shè)計(jì)過程中的空白，能夠創(chuàng)建精確有效的元件熱模型。電子行業(yè)內(nèi)有很多人都在使用這種技術(shù)。

LED 供應(yīng)商在設(shè)計(jì)時(shí)能夠利用這種技術(shù)來測(cè)量熱性能，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，之后再為客戶測(cè)量和創(chuàng)建一個(gè)熱模型。子系統(tǒng)和系統(tǒng)開發(fā)商可以用它來驗(yàn)證熱模型或者自己創(chuàng)建模型。

熱測(cè)量的附加效益

LED 供應(yīng)商和原始設(shè)備制造商目前在很多領(lǐng)域都會(huì)使用這一硬件技術(shù)。LED 供應(yīng)商將在最常見的兩個(gè)方面用到它。

第一個(gè)是無損故障診斷。在這種情況下，供應(yīng)商可以利用熱測(cè)量技術(shù)對(duì)故障部分的“內(nèi)部”進(jìn)行檢查，而無需將這部分分開。

圖3便給出了相應(yīng)的例子。用過幾小時(shí)后功能便下降的 LED 就會(huì)這樣被找出來。在熱阻-熱容圖表中，藍(lán)色線條表示剛生產(chǎn)出來的 LED，其它線條分別表示用過500小時(shí)、2000 小時(shí)和 3000 小時(shí)的LED。通過水平方向可見，代表用過的 LED 的線條上有一個(gè)高熱阻層。這說明該位置出現(xiàn)材料分離的情況。空氣的導(dǎo)熱系數(shù)比原有材料要小很多。這一類型的故障診斷測(cè)試能用于 LED 和 IC 封裝。

圖3：熱阻-熱容曲線圖中水平方向上的紅線、綠線和黑線代表高熱阻層和可能的分離

第二種應(yīng)用是在生產(chǎn)過程中。在生產(chǎn) LED 時(shí)，膠水厚度等參數(shù)并不是固定不變的，因此這臺(tái)測(cè)試儀器可以作為生產(chǎn)線上的重要一環(huán)。先取樣，然后快速進(jìn)行測(cè)試并與標(biāo)準(zhǔn)器件作對(duì)比，很快便能發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的偏差，進(jìn)而給予糾正。該測(cè)試設(shè)備的投資回報(bào)率非常可觀。因此，如今負(fù)責(zé)子系統(tǒng)和系統(tǒng)開發(fā)的 LED 供應(yīng)商與原始設(shè)備制造商可以使用一個(gè)精確的元件來完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、應(yīng)用和故障分析（圖 4）。