Altair ProductDesign幫助完成產品散熱系統設計

作者：Simwe    來源：Altair   

項目介紹

    散熱問題已成為限制LED作為光源廣泛應用的瓶頸。改善LED散熱性能的方法主要集中在散熱器而非LED與散熱面之間的間距與隔熱結構上。最近，Altair ProductDesign為CeramTec AG公司提供的一個咨詢項目中提到：設計理念和材料的改變將在熱管理、產品可靠性以及系統簡化上發揮重要的作用。項目指出，應用陶瓷作為散熱器、載波電路和部分結構的材料為克服傳統產品弊端提供了可能。為此，Altair ProductDesign開發了一種基于計算流體力學支持熱能優化的仿真流程和相關技術產品。 

    應用陶瓷作為散熱器、電路載體和部分結構的材料幫助CeramTec AG公司克服傳統產品弊端并實現了LED的創新概念設計。通過基于計算流體動力學的仿真實現散熱管理和技術產品的優化設計。

    下面案例研究，我們將展示這種新理論的應用，驗證概念設計合理性并描述應用陶瓷散熱器所獲得的性能改善。

挑戰

    眾所周知，LED是一種高效的光源并因其較小的體積而被人們所喜愛。如果不考慮其熱管理機構，LED確實可以設計的很小。白熾燈光源工作溫度可達2500° C 。與之相反，LED的工作溫度要低的多。即便如此，以半導體為原材料的LED工作時仍然會釋放大量的熱量，而半導體所能承受的溫度低于100℃。根據物理學研究顯示，熱能將傳遞到周圍區域。因此LED只能在100℃（熱點區域）和25℃（周圍溫度）之間75開氏溫度的范圍內工作。這種情況下，不得不采用較大的散熱面和高效熱管理系統對LED的工作環境進行處理。

解決方案

    在新的熱管理概念定義之前，我們對目前解決方案進行了研究。第一部分是LED本身，不做任何變動。它包括一個沖模，一個散熱片以及連接沖模與LED底部的銅質構件。從熱學上說，最理想的解決方案是將沖模與散熱片直接連接在一起。但考慮到產品的大批量生產，LED必須設計為標準化產品。第二部分是散熱器，它將來自熱源的能量傳遞到散熱裝置上，這個部分通常伴隨著周圍空氣的自由對流或強制對流。位移第一和第二部分之間的第三部分承擔機構連接、電氣隔離以及熱傳遞的任務。這看起來似乎有些沖突，因為大多數具有良好導熱特性的材料通常是電的良導體。反之，大多數絕緣體材料的隔熱性能較好。最好的解決方式是將LED與粘接在散熱片上的PCB板焊接起來。如此一來，PCB板用于電路板的原始功能就能保留下來。盡管PCB具有一定的熱傳導性，它們仍可用作隔熱層。

新材料新理念

    陶瓷散熱器CeramCool?是一種電路板與散熱器有效結合的結構，可以實現熱敏感零部件與電路的可靠散熱。它能使零部件直接或永久連接。同時，陶瓷是一種絕緣材料并可通過金屬墊片提供粘接面。用戶可以指定任意形狀的結構，這些結構甚至可以包含三維結構。這種散熱器逐漸成為一種基本的模塊并可以緊密關聯LED和其它部件。它可在不創建任何隔熱層的情況下快速散發熱源產生的熱量。

設計概念的有效性證明

    應用陶瓷的想法是在多組仿真模型中反復比對之后確定的。為了預測不同設計方案的熱特性，Altair ProductDesign研發了一種基于計算流體動力學的仿真流程和用于4W燈具散熱的、優化的陶瓷散熱器。研發過程中考慮了制造工藝要求。優化的結構使得4W的LED工作時最大溫度低于60℃，并且通過了物理實驗驗證。這一方案具有方形的外形(38mm x 38mm x 24mm)，而且在較大空間中包含細長的片狀物。在鋁制同種結構（PCB上安裝LED）上將比它高出很多。根據PCB不同的熱傳導率（從λ=4W/mK到1,5W/mK），溫度將上升6K到28K。對LED來說，熱點區域即使是6K的溫度降低，也會對其應力減少產生重大的影響。

概念靈活性

    大多數CeramCool?應用在客戶指定的解決方案中，實際上它的性能可在昂貴的物理樣機制造之前預測出來。通過深入研究，Altair ProductDesign建立了三種仿真模型，這三種模型已經通過各種物理測試并與測試結果具有可靠的相關性。LED設計人員可以選擇LED在最佳溫度下工作以保證LED高壽命與每瓦高流明或是以犧牲壽命或效率為條件使其工作在較高的溫度。通常情況下，LED的工作溫度范圍是50℃到110℃。如果需要更高的流明，可將4W LED上的散熱器裝備到5W或6W的LED上。將電能分配到多個1W的LED上有助于獲得更好的散熱。測試結果是5W的LED工作在65℃，6W的LED工作在70℃。

1.5mm距離內實現水冷

    仿真結果表明，如果空氣冷卻到達極限，應用液體冷卻可能會獲得較好結果。一個典型例子就是得益于陶瓷惰性的CeramCool?水冷技術。這一技術與空氣冷卻散熱器有著相同的目標：在熱源與散熱裝置之間很短的熱傳遞距離內實現散熱。在陶瓷的幫助下在距離LED散熱片僅有1.5mm的空間中進行水冷成為可能。

結論

    綜上所述，為進行熱管理而開發的CFD流程將基于新型先進陶瓷材料的新設計理念變為可能。與傳統設計與材料相比，新概念具有諸多優勢。多種測試結果對比證明了基于CAE研發流程的可靠性。