【技術論壇】LED設計成汽車熱管理一大挑戰－LED照明的部落格

　如今，越來越多的電子設備正被廣泛應用於汽車行業。有統計顯示，如今電子設備在一輛車的成本中占到了30%-40%。這些電子設備不僅包括發動機控制單元、制動系統和傳動系統控制裝置等功能性裝置，還有更多電子產品，如娛樂和導航系統。最近，汽車領域對LED 技術的使用出現了爆發性增長，例如在歐洲，所有汽車都必須安裝LED 行車燈。

　　在設計包含LED 系統在內的這些電子產品時，好的熱管理變得越來越重要。

　　LED 會不斷散發出熱量，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(汽車前後燈)卻沒有配備相應的散熱風扇。因此，可靠性和性能勢必會受到影響。如果LED 超過臨界結溫，就會出現問題：LED 燈變暗。如果溫度持續過高，LED 燈的使用壽命就會縮短，繼而過早報廢。汽車上的LED 燈的平均壽命有好幾千個小時，過早報廢將給製造商帶來額外的保修成本。

　　優秀的熱管理取決於良好的散熱設計。如圖1所示，LED 元件是設計過程中的第一個環節。元件設計師會利用熱分析軟件和測試儀器對元件的材料和結構進行分析，確保結上產生的熱量可以很容易地通過LED 元件層散發出來。子系統設計師會將LED 元件排成陣列，並加入散熱器和其他冷卻裝置，然後再次對產品進行分析。他們可能會調整LED 元件之間的間隔距離，或添加額外的冷卻裝置，以確保LED 燈不會超過臨界溫度。最後一步通常由機械設計工程師利用機械計算機輔助設計系統來完成，設計師會將排列起來的LED 燈放進燈罩(如汽車前燈)裡，同時利用先進的計算流體力學(CFD) 軟件進行熱分析。

對LED 設計過程中各個環節進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，並不意味著也解決了子系統的熱管理問題。而解決了子系統的熱管理問題，也不代表系統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，才可以說這是一個好的設計。

　　設計的空白

　　那麼問題出在哪裡?整個行業多年來一直在使用出色的CFD 熱分析軟件。FloTHERM 等產品快速、精確，十分好用，且無需外聘專家，公司內部的工程師便能完成分析。但問題是，軟件分析結果的準確性，取決於所輸入元器件模型的準確性。如果輸入的元器件模型不准確，則無論分析過程多麼完美，軟件的結果也只會誤導設計者。

　　但關鍵是供應商提供的典型LED 數據表,只會出現其總功耗(如最大正向電流和電壓)，以及“結”和某些參考點(如焊接點)之間的單個熱阻，並沒有熱量如何通過封裝內各層並散發出去的信息，也沒有能夠用於界定各層熱阻和熱容的熱路徑/障礙描述。

　　這樣一來會出現什麼問題?通常，熱管理專家會估測封裝的內部結構，並創建一個熱模型，來描述各層和各結構的熱阻和熱容情況。這種模型只要出現幾個百分點的偏差，就會導致分析不精確，而且並沒有驗證或判斷此類熱模型好壞的方法。

　　因此從根本上說，我們在設計好的散熱系統方面還存在空白。在產品開發的所有環節(元件、子系統和整個系統)中，熱分析絕對不能少，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果。在不了解封裝元件內部結構的情況下，我們無法界定或驗證模型的精確性，並且通常元件供應商也不會洩露這方面的知識產權。

　　填補空白

　　解決的方法就是通過定義和驗證一種如圖2所示的元件簡化熱模型，在硬件測試/測量和熱分析之間建立一座“橋樑”。現有的硬件能夠測量一個元件的散熱特徵參數。有了尖端的軟件，這些測量值就能夠被轉化為簡化的熱阻和熱容網絡，我們在熱分析軟件即可讀取該簡化網絡模型。

　　例如，將明導公司的T3Ster 硬件聯接到被測元件上，就能測量結的瞬態溫度變化，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。在熱量從結散發到周邊環境的過程中，能夠在一分鐘內採集到一萬多個數據點來描述結溫的瞬態變化，而結溫的瞬態變化特徵就表示了元器件各層的熱阻和熱容情況。有了這些數據，利用分析軟件能夠自動生成LED 簡化熱模型。一個精確有效的模型就這樣誕生了。

硬件測試和測量可用於創建或驗證LED 簡化熱模式

　　這樣一來，我們就有效地填補了熱管理設計過程中的空白，能夠創建精確有效的元件熱模型。電子行業內有很多人都在使用這種技術。

　　LED 供應商在設計時，能夠利用這種技術來測量熱性能，並對其進行優化，之後再為客戶測量和創建一個熱模型。子系統和系統開發商可以用它來驗證從供應商那裡獲得的熱模型，或者在供應商沒有提供模型的情況下自己創建模型。電子設備的可靠性設計餘量很小，設計責任通常落在原配廠商身上，質保和回收問題會直接影響他們的盈虧，因此，他們需要百分百確認自己的產品設計沒有問題。

　　熱測量的附加效益

　　LED 供應商和原始設備製造商目前在很多領域都會使用這一硬件技術。LED 供應商在最常見的兩個方面用到它。

　　第一個是無損故障診斷。在這種情況下，供應商可利用熱測量技術對故障部分的“內部”進行檢查，而無需將這部分分開。圖3便給出了相應的例子。用過幾小時後功能便下降的LED 就會這樣被找出來。

　　在熱阻-熱容圖表中，藍色線條表示剛生產出來的LED，其他線條分別表示用過500小時、2000小時和3000小時的LED。通過水平方向可見，代表用過的LED 的線條上有一個高熱阻層，這說明該位置出現材料分離的情況，空氣的導熱係數比原有材料要小很多。這一類型的故障診斷測試能用於LED 和IC封裝。

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

　　第二種應用是在生產過程中。在生產LED 時，膠水厚度等參數並不是固定不變的，因此這台測試儀器可以作為生產線上的重要一環。先取樣，然後快速進行測試並與標準器件做對比，很快便能發現生產過程中的偏差，進而給予糾正。該測試設備的投資回報率非常可觀。因此，如今負責子系統和系統開發的LED 供應商與原始設備製造商，可以使用一個精確的元件來完成產品的設計、應用和故障分析(圖4)。

完整的熱測量與光學測量/標定如今已被實際應用於LED 產品設計、生產質量以及無損故障分析

　　為汽車供應鏈提供支持

　　如圖5所示為汽車產業的供應鏈，我們看到，供應鏈上除了有汽車原始設備製造商，還有二級和一級供應商。好的熱設計要有熱分析，一級和二級供應商的設計者們都需要具有這種能力。這種熱分析通過精準及時的物理測試，對元件、子系統以及系統的熱測量進行支持和驗證。汽車原始設備製造商能證明的，是他們所購買的產品具備高度的可靠性和低能耗性能。

汽車供應鏈各個層級都需要熱分析和物理測試/標定