LED和超高亮LED设计中的三种热缓解选项

LED和超高亮LED照明以及其他电力电子产品的制造商和买家，持续地在改进组件的性能，但另一方面，组件设计人员却只有有限的空间可供用来积极开发各种引人注目的设计，他们还必须在紧迫的预算情况下完成他们的项目。这是一种很经典的案例，在成功解决一个大型障碍之后，经常会带来一个或多个额外的大型而且同样具有挑战性的障碍。

有时我们会把注意力集中在组件的印刷电路板或基板上，其任务是在缩小的占地面积内提供改进的电气、热学和机械性能，并且具有巨大的成本限制。数据表、设计指南以及协同工程和制造合作伙伴的经验，可以帮助设计人员优化组件性能、可靠性和可制造性，并且降低项目成本。尽管如此，许多议题仍然无法解决，仍然存在许多其他的问题。

举例来说，想要高性能则需要增加功率，因此往往会不断地产生热负荷。这个议题正迅速成为一个主要问题，其中最引人注目的是LED照明和超高亮LED基板。

本文考察了材料科学的三个产品，这些产品帮助LED照明设计师解决和处理不断增加的热负荷和传热问题，提高他们自己团队的热管理效率，并获得令人满意的性能水平。

应用示例：热间隙填充物

印刷电路板、基板和整体LED照明制造都牵扯到大规模生产，其中一种适用于LED批量生产应用的热界面材料（Laird Tflex™ HR400热间隙填充物）是一种符合组件拓扑结构的高性能、兼容且低模量的界面垫。它的顺应性导致对组件、配合底盘或部件的压力很小，它的柔软性可以减轻高叠加公差所带来的机械应力并吸收冲击，从而提高组件的可靠性。即使在重新加工或重新组装组件之后，其恢复特性对需要任何进行材料返工的应用，也能产生持续的机械完整性。

间隙填充物在两侧都具有自然的粘性，并且不需要额外的粘合剂涂层来抑制热性能。采用黏着设计可在组装时和组件本身在任何运输期间内，都能将垫片保持在适当位置之上。Tflex HR400的导热系数为1.8W/mK，工作温度范围为-50℃至160℃，它采用陶瓷填充硅胶片，厚度为0.020英寸至0.400英寸，符合RoHS和REACH规范，其选项包括DC1专有的黏着消除涂层，或者是0.20英寸和0.030英寸厚度的玻璃纤维版本。

应用示例：热相变材料

LED照明、汽车前照灯、微处理器、芯片组和激光应用都是低热阻、低放气相变材料的主要应用。一种无硅、可丝网印刷的相变材料（Laird Tpcm™ 200SP）是专为满足LED照明光学应用的热可靠性和放气要求而设计，它可以快速干燥，使其可以预先应用于组件，以便将来进行组装。

经济高效、可回流兼容的Tpcm 200SP因其易于使用使其与大批量生产完美契合，它具有大于3的触变指数，以及较高的热可靠性，这可以通过长期重复循环后材料的最小溢出量来证明。它具有20 Pa-s的粘度，无溶剂的3.2比重，无溶剂的1.5 W/mK的导热率和较低的耐热性（10 psi下0.07；20 psi下0.049；50 psi下0.027）。Tpcm 200SP的工作温度范围为-40℃至125℃，产品的软化温度为45℃至60℃。总体而言，该材料具有较低的总体拥有成本。

示例：导热印刷电路基板

让我们更深入地研究设计师对实现LED照明印刷电路基板适当冷却的关注议题。超高亮LED基板，以及网络DC/DC电源转换器和电池供电设备，是与FR4相比需要显着更高导热性的应用示例，导热性是保持超高亮LED基板和其他组件冷却的关键。

某些应用需要最佳的热性能和耐热循环性，最佳导热系数成为设计师的主要目标之一。其中一个示例便是导热印刷电路基板（Laird Tlam™ SS 1KA），其由铜电路层与Laird的3 w/mK 1KA电介质结合到铝或铜基板上。

在LED照明应用中，Tlam SS 1KA的导热性能与FR4相比要高8到10倍。通过标准FR4印刷和蚀刻操作处理材料，该基板具有高达130℃的UL 746B电气／机械相对温度等级（Relative Thermal Index, RTI），与无铅铜兼容，符合低粘结应力和RoHS标准。Tlam板可采用标准的取放表面贴装技术（SMT, Surface-Mount Technology）和手动焊线工艺，用户很快便可发现这种解决方案可以减少陶瓷器件与焊料键合的压力。该基板的标准结构可用一盎司或两盎司的铜，以及0.040英寸和0.062英寸厚的铝来进行开发。另外还有定制结构，可具有较重的电路铜和较厚的铝和铜底板。此外，同样重要的是Tlam SS 1KA是环保绿色材料。

更广泛的观点

像是采用Tlam反射技术的绝缘金属印刷电路基板，最初是于20世纪70年代末在日本开发做为IMST（Insulated Metal Substrate Technology，绝缘金属底板技术），目前这些基板则广泛用于LED照明、汽车电子、功率放大器和电源以及电机控制器。

通常，基板简化了LED照明系统架构，从而实现了性能、尺寸、可靠性和成本优势，这些优势延伸到基板或电路板之外，以包含完整的组装和最终产品。

它们的基本结构包括铜箔轨道和金属底板之间的薄介电层，在介电材料中发现的先进技术，它必须提供良好的导热性和良好的电气隔离，使用优质的热填料和树脂对于高质量的电介质至关重要。我们的目标是通过薄电介质和高热填料含量来实现卓越的热性能，更好的基板将围绕以下两个基本介电系统来构建：

1）1KA具有高导热性，独特的低模量，适用于严重的热循环和低热阻应用。

2）HTD具有高Tg/RTI，适用于高温、高压和细线应用。与替代材料相比，它是市场上更好的材料，具有许多其他二次电气和机械优势。

为了帮助更快地实现更多目标，LED照明设计师通常依赖制造商的设计指南，该指南可帮助用户充分利用基材的任何独特性能优势。它们通常包含可制造性的设计信息，包括推荐的尺寸、公差、材料和装配工艺，以及最低成本系统设计的建议，其他可用的应用信息还包括制造指南和热多层应用。

设计总是寻求改善热性能，同时以低成本保持良好的介电隔离。最高质量的导热填料系统是必不可少的，该系统使填料含量最小化，并保持介电层的电气和机械完整性。在设计更受欢迎的基板时，设计人员知道利用热优势的重要性，而不会增加不必要的复杂性或成本。散热优势可以减小组件尺寸、轨道宽度、热和机械硬件，以及电气和热互连。

优异的基材导热性具有以下直接和间接的优点，包括：

改善组件的热传递，提高组件可靠性，减小组件的尺寸和成本，消除组件散热片和硬件，减少印刷电路板或基板尺寸，并提高组件密度和功率密度。

更高的电流密度在迹线、通孔和连接器中是可能的，因为基板应该去除热量并降低工作温度。标准印刷电路板电流密度规则受到温度升高的限制，对基板使用标准印刷电路板的规则会不必要地增加最终设计的尺寸和成本，因此要遵守特定的产品规则，以充分利用其全部优势。

更好的热量和电源管理，这个优点适用于整个系统。关键因素是最大功率、最大结／组件温度、最大介电温度、最高环境温度，以及热源和环境之间所有链路的热阻。在具有多个电源和热路径的复杂系统中，有限元分析或热测试是进行准确的最终热评估的唯一方法。在较高功率应用或较高功率模块中，热量通常通过传导传递到散热器或金属贴装表面。该表面的温度可以是已知的，或者可以根据功率耗散、尺寸、形状、环境温度和空气流量来计算。这些参数是特定于应用的，因此务必要获得特殊产品和应用的应用帮助。

改善电介质的隔离，介电强度或介电隔离电压是基板的电介质承受基板上铜箔和基板之间，以及箔层或基板最终构造之间的高电压能力量度。

热通孔应用，铜箔层之间的多个通孔可以显着增强这些层之间的导热性。热通孔在基板中比在标准印刷电路板中更有效，因为前者可以提供将热量从下层传递到散热器、支架或环境的手段。改善的散热不仅可以通过通孔和轨道进行冷却，还可以显着降低焊接到上部箔垫的功率器件的热阻。该技术可用于从封装器件和芯片中移除热量，并且在复杂的多层板应用中尤其有效，例如单板计算机和电机驱动板。较厚的铜箔或焊接铜散热器可以大大增加传热的有效面积。

LED照明设计仍持续面临着无数挑战，通过协作和产品创新来解决热管理问题，是实现成功的正确步骤。