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摘要：  隨著亮度和功率的不斷提高，被緊密排列在一起的LED(如汽車頭尾燈)卻無(wú)法用風(fēng)扇等來(lái)降溫。因此可靠性和性能勢(shì)必會(huì)受到影響。

關(guān)鍵字：  LED，  LED元件，  LED燈

如今電子產(chǎn)品成本占到整車成本的30-40%左右，并且這一數(shù)字還在穩(wěn)步上升。這些電子產(chǎn)品不僅包括功能性元件，如發(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，也包括了娛樂和導(dǎo)航部件。近來(lái)LED技術(shù)的使用出現(xiàn)了爆炸式增長(zhǎng)，也正好說(shuō)明了這一點(diǎn)。例如，在歐洲所有新車必須配備日間行車燈，而LED則因?yàn)楣牡秃托矢叩奶攸c(diǎn)成為了首選照明技術(shù)。

高效的熱管理非常重要，這是因?yàn)長(zhǎng)ED會(huì)不斷散發(fā)出熱量，并且LED的燈罩越來(lái)越小。隨著亮度和功率的不斷提高，被緊密排列在一起的LED(如汽車頭尾燈)卻無(wú)法用風(fēng)扇等來(lái)降溫。因此可靠性和性能勢(shì)必會(huì)受到影響。當(dāng)LED超過(guò)臨界結(jié)溫時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問題。首先，LED會(huì)變暗，顏色也會(huì)改變。其次，如果溫度持續(xù)過(guò)高，它們的使用壽命就會(huì)縮短，繼而過(guò)早報(bào)廢。汽車LED的平均壽命有好幾千個(gè)小時(shí)，這些問題會(huì)為制造商帶來(lái)額外的保修成本。

良好的熱設(shè)計(jì)對(duì)高效的熱管理至為關(guān)鍵。LED元件是設(shè)計(jì)過(guò)程中的第一個(gè)環(huán)節(jié)(見圖1)。元件設(shè)計(jì)師利用熱分析軟件和測(cè)量硬件對(duì)元件的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以確保結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的熱量能輕易地通過(guò)LED各層散發(fā)出來(lái)。子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師會(huì)將LED排成陣列，并加入散熱器和其他冷卻裝置，然后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行再次分析。他們可能會(huì)調(diào)整LED之間的間隔距離或添加額外的冷卻裝置，以確保LED不會(huì)超過(guò)臨界溫度。最后一步通常是由機(jī)械設(shè)計(jì)師利用機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(MCAD)系統(tǒng)來(lái)完成，設(shè)計(jì)師會(huì)將排列起來(lái)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)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件進(jìn)行熱分析。

圖1:在LED設(shè)計(jì)的各環(huán)節(jié)進(jìn)行熱分析對(duì)良好的熱管理是必要的。

如果解決了元件層面的熱管理問題并不意味著也解決了子系統(tǒng)的這個(gè)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。只有把所有熱問題都解決了，才能確保這個(gè)設(shè)計(jì)具備良好的熱管理。

設(shè)計(jì)的空白

出色的CFD熱分析軟件已問世多年。FloTHERM等產(chǎn)品快速精確，其易用性對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)十分理想。但這種分析的質(zhì)量到底如何取決于提供給軟件的組件熱模式。不管分析質(zhì)量有多好，不精確的模式只會(huì)誤導(dǎo)你。

供應(yīng)商提供的典型LED數(shù)據(jù)表只會(huì)出現(xiàn)大量功率損耗(如最大正向電流和電壓)以及結(jié)點(diǎn)和某些參考之間的單個(gè)熱阻，如焊接點(diǎn)。并沒有熱量如何通過(guò)封裝各層并散發(fā)出去的信息。也沒有能夠用于界定各層熱阻和電容的熱路徑/障礙描述。

因此，熱專家通常會(huì)估測(cè)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并創(chuàng)建一個(gè)熱模型來(lái)說(shuō)明各層和各構(gòu)造的熱阻和電容情況。但是熱專家只要幾個(gè)百分點(diǎn)的偏差就會(huì)導(dǎo)致分析不精確。使用這種方法時(shí)并沒有驗(yàn)證或判斷熱模式精確性的方法。

因此優(yōu)秀熱設(shè)計(jì)的過(guò)程中還存在空白。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，熱分析結(jié)果才可以算是好的。在不了解組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，我們無(wú)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

解決這個(gè)問題的方法就是如圖2所示，通過(guò)界定和驗(yàn)證組件簡(jiǎn)化熱模式，在硬件測(cè)試/測(cè)量和熱分析之間建立一個(gè)連接?，F(xiàn)有的硬件能夠測(cè)量一個(gè)元件的熱特性。例如，明導(dǎo)電子的 T3Ster硬件貼在LED等電子元件上就能測(cè)量瞬態(tài)結(jié)溫，不論元件是否通電，都可精確到0.01攝氏度。在熱量從結(jié)點(diǎn)散發(fā)到周邊環(huán)境的過(guò)程中，瞬態(tài)溫度特征圖能夠在一分鐘內(nèi)采集到一萬(wàn)多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，用于描述元件層的熱阻和電容情況。

有了這些數(shù)據(jù)，軟件能夠自動(dòng)生成LED簡(jiǎn)化熱模式。工程師們從而現(xiàn)在能擁有一個(gè)精確有效的模式。

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。

由于能夠創(chuàng)建精確有效的元件熱模型，熱管理設(shè)計(jì)過(guò)程中的空白得到了有效的填補(bǔ)。這給電子行業(yè)帶來(lái)了很多益處。LED供應(yīng)商在設(shè)計(jì)過(guò)程中能利用這種技術(shù)來(lái)測(cè)試熱特性，并生成經(jīng)過(guò)熱優(yōu)化的設(shè)計(jì)，之后再為客戶測(cè)試和創(chuàng)建一個(gè)熱模式。子系統(tǒng)和系統(tǒng)開發(fā)商可以用它來(lái)驗(yàn)證從供應(yīng)商那里獲得的模型或者在供應(yīng)商沒有提供模型的情況下自己創(chuàng)建模型。原始設(shè)備制造商受到了臨界可靠性電子產(chǎn)品的影響，因?yàn)橘|(zhì)保和回收問題會(huì)直接影響他們的盈虧。他們需要百分百信任他們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

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熱測(cè)試附加效益

LED供應(yīng)商和原始設(shè)備制造商目前在其它多個(gè)領(lǐng)域都會(huì)使用這一硬件技術(shù)。LED供應(yīng)商正在最常見的兩個(gè)方面用到它。

第一個(gè)是無(wú)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(wú)需將這部分分開。圖3便給出了相應(yīng)的例子。用過(guò)幾小時(shí)后功能退化的 LED就會(huì)這樣被找出來(lái)。在熱阻-電容圖表中，藍(lán)色線條表示剛生產(chǎn)出來(lái)的LED，其它線條分別表示用過(guò)500小時(shí)、2000小時(shí)和3000小時(shí)的LED.水平方向上用過(guò)的LED的線條表示一個(gè)高熱阻層。這說(shuō)明該層材料存在分層情況?？諝馐且环N比原材料更差的導(dǎo)熱體。這一類型的故障診斷測(cè)試能用于LED和IC封裝。

圖3:熱阻-電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層。

第二種情況就是參與生產(chǎn)過(guò)程。在生產(chǎn)LED時(shí)，膠水厚度等參數(shù)并不是固定不變的，因此測(cè)量工具便是生產(chǎn)線上的重要一環(huán)。先取樣，然后快速對(duì)“黃金”部分進(jìn)行測(cè)試，很快便能發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的偏差，進(jìn)而給予糾正。這種測(cè)試的投資回報(bào)非?？捎^。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)完整的元件來(lái)完成整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、應(yīng)用和故障分析(圖4)。

圖4:完善的熱和光測(cè)試/測(cè)量應(yīng)用如今已被實(shí)際應(yīng)用于LED產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)質(zhì)量以及無(wú)損故障分析。

為汽車供應(yīng)鏈提供支持

汽車供應(yīng)鏈上除了有汽車原始設(shè)備制造商，還有二級(jí)和一級(jí)供應(yīng)商(如圖5所示)。好的熱設(shè)計(jì)要有熱分析，這也是一級(jí)和二級(jí)設(shè)計(jì)者所需要的。這種熱分析通過(guò)精準(zhǔn)及時(shí)的物理測(cè)試和對(duì)組件、子系統(tǒng)以及系統(tǒng)的測(cè)量得到支持和驗(yàn)證。汽車原始設(shè)備制造商想要證明的是他們所購(gòu)買的產(chǎn)品將具備高度可靠性和低能耗運(yùn)行。

圖5:汽車供應(yīng)鏈各個(gè)層級(jí)都需要熱分析和物理測(cè)試/特性。

雖然設(shè)計(jì)時(shí)使用廣泛的“虛擬樣機(jī)”可以讓產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力，從而達(dá)到更快營(yíng)銷的目的，但使用快速精確的測(cè)試和測(cè)量工具對(duì)供應(yīng)鏈的作用仍不容小覷。要不然，開發(fā)出的產(chǎn)品會(huì)具有臨界可靠性，原始設(shè)備制造商也會(huì)為此付出高昂的代價(jià)。