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当今汽车 LED 的高效热管理

Erich Buergel 博士
机械分析部门总经理
明导电子 (Mentor Graphics Corporation)

如今电子产品成本占到整车成本的30-40%左右,并且这一数字还在稳步上升。这些电子产品不仅包括功能性元件,如发动机控制单元、制动系统和传动系统控制装置,也包括了娱乐和导航部件。近来 LED 技术的使用出现了爆炸式增长,也正好说明了这一点。例如,在欧洲所有新车必须配备日间行车灯,而 LED 则因为功耗低和效率高的特点成为了首选照明技术。

高效的热管理非常重要,这是因为 LED 会不断散发出热量,并且LED 的灯罩越来越小。随着亮度和功率的不断提高,被紧密排列在一起的 LED (如汽车头尾灯)却无法用风扇等来降温。因此可靠性和性能势必会受到影响。当LED 超过临界结温时,就会出现两个问题。首先,LED 会变暗,颜色也会改变。其次,如果温度持续过高,它们的使用寿命就会缩短,继而过早报废。汽车 LED 的平均寿命有好几千个小时,这些问题会为制造商带来额外的保修成本。

良好的热设计对高效的热管理至为关键。LED 元件是设计过程中的第一个环节(见图1)。元件设计师利用热分析软件和测量硬件对元件的材料和结构进行分析,以确保结点产生的热量能轻易地通过 LED 各层散发出来。子系统设计师会将 LED 排成阵列,并加入散热器和其他冷却装置,然后对产品进行再次分析。他们可能会调整 LED 之间的间隔距离或添加额外的冷却装置,以确保 LED 不会超过临界温度。最后一步通常是由机械设计师利用机械计算机辅助设计 (MCAD) 系统来完成,设计师会将排列起来的 LED 灯放进灯罩(如汽车前灯)里,同时利用先进的计算流体动力学 (CFD) 软件进行热分析。

1–在LED设计的各环节进行热分析对良好的热管理是必要的。

如果解决了元件层面的热管理问题并不意味着也解决了子系统的这个问题。而解决了子系统的热管理问题,也不代表系统的热管理问题就解决了。只有把所有热问题都解决了,才能确保这个设计具备良好的热管理。

设计的空白

出色的 CFD 热分析软件已问世多年。FloTHERM® 等产品快速精确,其易用性对设计师来说十分理想。但这种分析的质量到底如何取决于提供给软件的组件热模式。不管分析质量有多好,不精确的模式只会误导你。

供应商提供的典型 LED 数据表只会出现大量功率损耗(如最大正向电流和电压)以及结点和某些参考之间的单个热阻,如焊接点。并没有热量如何通过封装各层并散发出去的信息。也没有能够用于界定各层热阻和电容的热路径/障碍描述。

因此,热专家通常会估测设备的内部结构,并创建一个热模型来说明各层和各构造的热阻和电容情况。但是热专家只要几个百分点的偏差就会导致分析不精确。使用这种方法时并没有验证或判断热模式精确性的方法。

因此优秀热设计的过程中还存在空白。在产品开发的所有环节(元件、子系统和整个系统)中,热分析绝对不能少。但只有在元件热模型良好的情况下,热分析结果才可以算是好的。在不了解组件内部结构的情况下,我们无法界定或验证模型的精确性,并且通常元件供应商也不会泄露这方面的知识产权。

填补空白

解决这个问题的方法就是如图2所示,通过界定和验证组件简化热模式,在硬件测试/测量和热分析之间建立一个连接。现有的硬件能够测量一个元件的热特性。例如,明导电子的 T3Ster 硬件贴在 LED 等电子元件上就能测量瞬态结温,不论元件是否通电,都可精确到0.01摄氏度。在热量从结点散发到周边环境的过程中,瞬态温度特征图能够在一分钟内采集到一万多个数据点,用于描述元件层的热阻和电容情况。

有了这些数据,软件能够自动生成 LED 简化热模式。工程师们从而现在能拥有一个精确有效的模式。

2-硬件测试和测量可用于创建或验证 LED 简化热模式。

由于能够创建精确有效的元件热模型,热管理设计过程中的空白得到了有效的填补。这给电子行业带来了很多益处。LED 供应商在设计过程中能利用这种技术来测试热特性,并生成经过热优化的设计,之后再为客户测试和创建一个热模式。子系统和系统开发商可以用它来验证从供应商那里获得的模型或者在供应商没有提供模型的情况下自己创建模型。原始设备制造商受到了临界可靠性电子产品的影响,因为质保和回收问题会直接影响他们的盈亏。他们需要百分百信任他们的产品设计。

测试附加效益

LED 供应商和原始设备制造商目前在其它多个领域都会使用这一硬件技术。LED 供应商正在最常见的两个方面用到它。

第一个是无损故障诊断。在这种情况下,供应商可以利用热测量技术对故障部分的“内部”进行检查,而无需将这部分分开。图3便给出了相应的例子。用过几小时后功能退化的 LED 就会这样被找出来。在热阻-电容图表中,蓝色线条表示刚生产出来的 LED,其它线条分别表示用过500小时、2000小时和3000小时的 LED。水平方向上用过的 LED 的线条表示一个高热阻层。这说明该层材料存在分层情况。空气是一种比原材料更差的导热体。这一类型的故障诊断测试能用于 LED 和IC封装。

3 热阻-电容曲线图中水平方向上的红线、绿线和黑线代表高热阻层和可能的分层。

第二种情况就是参与生产过程。在生产 LED 时,胶水厚度等参数并不是固定不变的,因此测量工具便是生产线上的重要一环。先取样,然后快速对“黄金”部分进行测试,很快便能发现生产过程中的偏差,进而给予纠正。这种测试的投资回报非常可观。负责子系统和系统开发的 LED 供应商与原始设备制造商可以使用一个完整的元件来完成整个产品设计、应用和故障分析(图4)。

4 完善的热和光测试/测量应用如今已被实际应用于 LED 产品设计、生产质量以及无损故障分析。

为汽车供应链提供支持

汽车供应链上除了有汽车原始设备制造商,还有二级和一级供应商(如图5所示)。好的热设计要有热分析,这也是一级和二级设计者所需要的。这种热分析通过精准及时的物理测试和对组件、子系统以及系统的测量得到支持和验证。汽车原始设备制造商想要证明的是他们所购买的产品将具备高度可靠性和低能耗运行。

5 汽车供应链各个层级都需要热分析和物理测试/特性。

虽然设计时使用广泛的“虚拟样机”可以让产品更具竞争力,从而达到更快营销的目的,但使用快速精确的测试和测量工具对供应链的作用仍不容小觑。要不然,开发出的产品会具有临界可靠性,原始设备制造商也会为此付出高昂的代价。

作者简介

Erich Buergel 是明导电子机械分析部门的总经理。他在软件工程、销售、营销,以及机械设计自动化 (MDA) 市场管理方面具备超过21年的经验,并且在 SDRC、MSC Software 和德国系统集成商 StS 拥有高级管理职务。Erich 在德国克劳斯塔尔工业大学 (Technical University of Clausthal) 获得了矿业工程学位以及流体力学博士学位,另外还在瑞士苏黎世工商管理研究生学院 (GSBA) 获得了行政工商管理学士学位。