杜邦工程师开始着手对特定热衬底结构和设计对芯片结温的影响进行量化。他们在采用大量不同热衬底散热的LED芯片上进行了实验室测量。尽量贴近焊盘的导热垫片测量LED芯片的温度以及铝质散热器背面的温度。LED采用稳压／恒流的直流电源供电。散热器在自然对流空调房的环境下冷却。他们采用从5到1 7瓦范围内的功率水平对一盏大功率LED灯进行测试。LED采用CooLam热衬底散热，配置如下：
·35μm和140μm两种不同厚度的铜箔导热垫片；
·0.7W/mK和0.24W/mK两种不同导热系数的聚酰亚胺电介质；
·采用两种不同的合金材料，厚度分别为1mm和2.5mm的铝散热器，导热系数分别为138W/mK和205W/mK。
此外，还对四种不同的测试板布局进行了评估：
·一个LED和一个占位面积相同的导热垫片；
·一个LED和一个加大的导热垫片；
·一个LED和一个覆盖整个3 5英寸×2英寸测试板的导热垫片；
·一个由三个LED组成的阵列以及占位面积相同的散热器。
CFD模型准确预测结温
下一步是创建一个ANSYS CFD模型，以匹配测试设置。出于多种原因，ANSYS Fluent是应对这一仿真挑战的最佳工具。使用Fluent中包含的参数拟合为自然对流提供布辛奈斯克近似，有助于将模型轻松映射至物理测量。使用该产品的离散坐标辐射模型对通过透镜辐射离开LED的热量进行了建模。此外，软件提供多种材料，包含不同导热系数。使用ANSYS Workbench的参数化功能可轻松实现这一操作。
杜邦工程师首次能够判断出LED及热衬底中任意一点的温度。
杜邦工程师从文献资料中获得了铝铜材料属性，并从内部测量结果中获得了介电材料属性。根据制造商提供的数据评估出LED及阻焊层属性。LED的热消耗是建立在额定功率转化效率上的，即系统将电气功率转化为光学功率的能量转换效率。工程师运行了瞬态共轭热仿真，并将结果与热电耦的时间关系曲线图和动态IR热成像进行了比对。通过在CFD模型中仔细匹配实验室内温和的气流效果，对仿真进行了微调。优化仿真的最后一步是添加离散坐标模型，用于跟踪透镜及温热表面带来的辐射损耗。结果是CFD预测和热电耦测量之间有着近乎完美的匹配。
由于无法测量LED的结温，甚至LED正下方的导热垫片中心温度也无法测量。因此，LED设计工程师通常会测量位于LED外边缘的焊盘，并将测量结果用于估算导热垫片的中心温度。随后他们使用LED制造商提供的热阻规范估算结温。在验证CFD结果后，杜邦工程师首次能够判断出LED及热衬底中任意一点的温度。他们发现，焊盘的温度比导热垫片中心的实际温度低15摄氏度。仿真结果显示，之前的方法明显低估了实际工作条件下的结温。
为广泛的应用制定应用指导方针
仿真结果提供了有用的指导方针，有助于杜邦工程师为特定的客户应用配置CooLam热衬底。结果表明，使用较厚的铝合金基座效果最好，根据LED的功率以及采用的电介质类型，可将结温降低12.4到12.7摄氏度。借助这一重大发现，工程师现已将增大基座厚度视为解决高难度热管理问题的第一步。无需考虑其它参数，使用具有较高导热系数（从138W/mK到205W/mK）的铝合金，也有助于降低温度。此外，0.7W/mK的高性能电介质也可显著降低结温，降幅从5.4摄氏度到5.7摄氏度不等，主要取决于功率水平和散热器的类型。
热量会导致光输出减少，并最终损坏芯片。
就CooLam衬底设计变量对LED结温的影响而言，该仿真结果提供了首次得到验证的测量数据。这是使用任何非仿真方法都无法掌握的信息。杜邦工程师展示了高性能配置的价值，并使量化其在多种工作条件下所受的影响成为可能。因此，杜邦应用工程团队能够信心满满地为照明制造商提供可确保高性能、低功耗以及长寿命的LED热衬底设计。
图4 仿真结果显示了LED、热衬底和电路板上的温度分布图。
图5 仿真显示：焊盘和导热垫片中心之间有15摄氏度的温差。
图6 两种功率级和两种电介质（LA和LX）的铝厚度变化对结温的影响。
