Altair ProductDesign帮助完成产品散热系统设计陶瓷简化LED内部散热系统

    行业：电子消费品

    挑战：在 LED 工作环境下，如何选择 散热面和热管理系统，从而促 进产品设计

    Altair 解决方案：Altair ProductDesign 开发了 基于计算流体动力学的仿真流 程，实现散热管理和优化设计

    优点：实现基于新型先进陶瓷材料的 新设计理念的成功应用。

    背景介绍 

    散热问题已成为限制LED作为光源广泛应用的瓶颈。改善LED散热性能的方法主要 集中在散热器而非LED与散热面之间的间距与隔热结构上。最近，AltairProductDesign 为CeramTecAG公司提供的一个咨询项目中提到：设计理念和材料的改变将在热管理、产品可靠性以及系统简化上发挥重要的作用。项目指出，应用陶瓷作为散热器、载波电 路和部分结构的材料为克服传统产品弊端提供了可能。为此，AltairProductDesign开发了一种基于计算流体力学支持热能优化的仿真流程和相关技术产品。

    应用陶瓷作为散热器、电路载体和部分结构的材料帮助CeramTecAG公司克服传统产品弊端并实现了LED的创新概念设计。通过基于计算流体动力学的仿真实现散热管理和技术产品的优化设计。

    下面案例研究，我们将展示这种新理论的应用，验证概念设计合理性并描述应用陶 瓷散热器所获得的性能改善。   

    挑战 

    众所周知，LED是一种高效的光源并因其较小的体积而被人们所喜爱。如果不考虑其热管理机构，LED确实可以设计的很小。白炽灯光源工作温度可达2500°C。与之相反，LED的工作温度要低的多。即便如此，以半导体为原材料的LED工作时仍然 会释放大量的热量，而半导体所能承受的温度低于100℃。根据物理学研究显示，热能将传递到周围区域。因此LED只能在100℃（热点区域）和25℃（周围温度）之间75 开氏温度的范围内工作。这种情况下，不得不采用较大的散热面和高效热管理系统对LED的工作环境进行处理。     

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    “AltairProductDesign为我们开发了用于LED设计的创新流程。没有他们的帮助，我们的产品不可能像现在这么成功”                                                                                                                                                                                                                                                                                      Dr.AlexanderDohn     

                                                                                                                       CeramTec                                                                                                         

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    解决方案

    在新的热管理概念定义之前，我们对目前解决方案进行了研究。第一部分是LED本身，不做任何变动。它包括一个冲模，一个散热片以及连接冲模与LED底部的铜质构件。从热学上说，最理想的解决方案是将冲模与散热片直接连接在一起。但考虑到产品的大批量生产，LED必须设计为标准化产品。第二部分是散热器，它将来自热源的能量传递到散热装置上，这个部分通常伴随着周围空气的自由对流或强制对流。位移第一和第二部分之间的第三部分承担机构连接、电气隔离以及热传递的任务。这看起来似乎有些冲突，因为大多数具有良好导热特性的材料通常是电的良导体。反之，大多数绝缘体材 料的隔热性能较好。最好的解决方式是将LED与粘接在散热片上的PCB板焊接起来。如此一来，PCB板用于电路板的原始功能就能保留下来。尽管PCB具有一定的热传导性，它们仍可用作隔热层。

    陶瓷散热器CeramCool?是一种电路板与散热器有效结合的结构，可以实现热敏感零部件与电路的可靠散热。它能使零部件直接或永久连接。同时，陶瓷是一种绝缘材料并可通过金属垫片提供粘接面。用户可以指定任意形状的结构，这些结构甚至可以包含三维结构。这种散热器逐渐成为一种基本的模块并可以紧密关联LED和其它部件。它可在不创建任何隔 热层的情况下快速散发热源产生的热量。

    设计概念的有效性证明

    应用陶瓷的想法是在多组仿真模型中反复比对之后确定的。为了预测不同设计方案的热特性，AltairProductDesign 研发了一种基于计算流体动力学的仿真流程和用于4W灯具散热的、优化的陶瓷散热器。研发过程中考虑了制造工艺要求。优化的结构使得4W的LED工作时最大温度低于60℃，并且通过了物理实验验证。这一方案具有方形的外形(38mmx38mm x24mm)，而且在较大空间中包含细长的片状物。在铝制同种结构（PCB上安装LED）上将比它高出很多。根据PCB不同的热传导率（从λ=4W/mK到1,5W/mK），温度将上升6K到28K。对LED来说，热点区域即使是6K的温度降低，也会对其 应力减少产生重大的影响。 

    概念灵活性

    大多数CeramCool?应用在客户指定的解决方案中，实际上它的性能可在昂贵的物理样机制造之前预测出来。通过深入研究，AltairProductDesign建立了三种仿真模型，这三种模型已经通过各种物理测试并与测试结果具有可靠的相关性。LED设计人员可以选择LED在最佳温度下工作以保证LED高寿命与每瓦高流明或是以牺牲寿命或效率为条件使其工作在较高的温度。通常情况下，LED的工作温度范围是50℃到110℃。如果需要更高的流明，可将4WLED上的散热器装备到 5W或6W的LED上。将电能分配到多个1W的LED上有助于获得更好的散热。测试结果是5W的LED工作在65℃，6W的LED 工作在70℃。

    1.5mm距离内实现水冷

    仿真结果表明，如果空气冷却到达极限，应用液体冷却可能会获得较好结果。一个典型例子就是得益于陶瓷惰性的CeramCool?水冷技术。这一技术与空气冷却散热器有着相同的目标：在热源与散热装置之间很短的热传递距离内实现散热。在陶瓷的帮助下在距离LED散热片仅有1.5mm的空间中进行水冷成为可能。  

    结论 

    综上所述，为进行热管理而开发的CFD流程将基于新型先进陶瓷材料的新设计理念变为可能。与传统设计与材料相比，新概念具有诸多优势。多种测试结果对比证明了基于CAE研发流程的可靠性。  

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