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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

2015/1/29    来源:Altair        
关键字:散热系统  LED  陶瓷  
本文介绍了Altair ProductDesign为CeramTec AG公司解决在LED工作环境下如何选择散热面和热管理系统的问题,通过Altair ProductDesign开发了基于计算流体动力学的仿真流程,最终实现了散热管理和优化设计。

项目介绍

    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,Altair ProductDesign为CeramTec AG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,Altair ProductDesign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CeramTec AG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℃。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。

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。

新材料新理念

    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。

 图1 通过对热管理系统的检测可以确定其是否具有优化潜力

图1 通过对热管理系统的检测可以确定其是否具有优化潜力

图2 用于验证分析的仿真模型

图2 用于验证分析的仿真模型

责任编辑:吴星星
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