如今電子產(chǎn)品成本占到整車成本的30-40%左右，并且這一數(shù)字還在穩(wěn)步上升。這些電子產(chǎn)品不僅包括功能性元件，如發(fā)動機控制單元、制動系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)控制裝置，也包括了娛樂和導(dǎo)航部件。近來LED技術(shù)的使用出現(xiàn)了爆炸式增長，也正好說明了這一點。例如，在歐洲所有新車必須配備日間行車燈，而LED則因為功耗低和效率高的特點成為了首選照明技術(shù)。
高效的熱管理非常重要，這是因為LED會不斷散發(fā)出熱量，并且LED的燈罩越來越小。隨著亮度和功率的不斷提高，被緊密排列在一起的LED(如汽車頭尾燈)卻無法用風扇等來降溫。因此可靠性和性能勢必會受到影響。當LED超過臨界結(jié)溫時，就會出現(xiàn)兩個問題。首先，LED會變暗，顏色也會改變。其次，如果溫度持續(xù)過高，它們的使用壽命就會縮短，繼而過早報廢。汽車LED的平均壽命有好幾千個小時，這些問題會為制造商帶來額外的保修成本。
良好的熱設(shè)計對高效的熱管理至為關(guān)鍵。LED元件是設(shè)計過程中的第一個環(huán)節(jié)(見圖1)。元件設(shè)計師利用熱分析軟件和測量硬件對元件的材料和結(jié)構(gòu)進行分析，以確保結(jié)點產(chǎn)生的熱量能輕易地通過LED各層散發(fā)出來。子系統(tǒng)設(shè)計師會將LED排成陣列，并加入散熱器和其他冷卻裝置，然后對產(chǎn)品進行再次分析。他們可能會調(diào)整LED之間的間隔距離或添加額外的冷卻裝置，以確保LED不會超過臨界溫度。最后一步通常是由機械設(shè)計師利用機械計算機輔助設(shè)計(MCAD)系統(tǒng)來完成，設(shè)計師會將排列起來的LED燈放進燈罩(如汽車前燈)里，同時利用先進的計算流體動力學(xué)(CFD)軟件進行熱分析。
圖1:在LED設(shè)計的各環(huán)節(jié)進行熱分析對良好的熱管理是必要的。
如果解決了元件層面的熱管理問題并不意味著也解決了子系統(tǒng)的這個問題。而解決了子系統(tǒng)的熱管理問題，也不代表系統(tǒng)的熱管理問題就解決了。只有把所有熱問題都解決了，才能確保這個設(shè)計具備良好的熱管理。
設(shè)計的空白
出色的CFD熱分析軟件已問世多年。FloTHERM等產(chǎn)品快速精確，其易用性對設(shè)計師來說十分理想。但這種分析的質(zhì)量到底如何取決于提供給軟件的組件熱模式。不管分析質(zhì)量有多好，不精確的模式只會誤導(dǎo)你。
供應(yīng)商提供的典型LED數(shù)據(jù)表只會出現(xiàn)大量功率損耗(如最大正向電流和電壓)以及結(jié)點和某些參考之間的單個熱阻，如焊接點。并沒有熱量如何通過封裝各層并散發(fā)出去的信息。也沒有能夠用于界定各層熱阻和電容的熱路徑/障礙描述。
因此，熱專家通常會估測設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并創(chuàng)建一個熱模型來說明各層和各構(gòu)造的熱阻和電容情況。但是熱專家只要幾個百分點的偏差就會導(dǎo)致分析不精確。使用這種方法時并沒有驗證或判斷熱模式精確性的方法。
因此優(yōu)秀熱設(shè)計的過程中還存在空白。在產(chǎn)品開發(fā)的所有環(huán)節(jié)(元件、子系統(tǒng)和整個系統(tǒng))中，熱分析絕對不能少。但只有在元件熱模型良好的情況下，熱分析結(jié)果才可以算是好的。在不了解組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，我們無法界定或驗證模型的精確性，并且通常元件供應(yīng)商也不會泄露這方面的知識產(chǎn)權(quán)。
填補空白
解決這個問題的方法就是如圖2所示，通過界定和驗證組件簡化熱模式，在硬件測試/測量和熱分析之間建立一個連接。現(xiàn)有的硬件能夠測量一個元件的熱特性。例如，明導(dǎo)電子的T3Ster硬件貼在LED等電子元件上就能測量瞬態(tài)結(jié)溫，不論元件是否通電，都可精確到0.01攝氏度。在熱量從結(jié)點散發(fā)到周邊環(huán)境的過程中，瞬態(tài)溫度特征圖能夠在一分鐘內(nèi)采集到一萬多個數(shù)據(jù)點，用于描述元件層的熱阻和電容情況。
有了這些數(shù)據(jù)，軟件能夠自動生成LED簡化熱模式。工程師們從而現(xiàn)在能擁有一個精確有效的模式。
圖2:硬件測試和測量可用于創(chuàng)建或驗證LED簡化熱模式。
由于能夠創(chuàng)建精確有效的元件熱模型，熱管理設(shè)計過程中的空白得到了有效的填補。這給電子行業(yè)帶來了很多益處。LED供應(yīng)商在設(shè)計過程中能利用這種技術(shù)來測試熱特性，并生成經(jīng)過熱優(yōu)化的設(shè)計，之后再為客戶測試和創(chuàng)建一個熱模式。子系統(tǒng)和系統(tǒng)開發(fā)商可以用它來驗證從供應(yīng)商那里獲得的模型或者在供應(yīng)商沒有提供模型的情況下自己創(chuàng)建模型。原始設(shè)備制造商受到了臨界可靠性電子產(chǎn)品的影響，因為質(zhì)保和回收問題會直接影響他們的盈虧。他們需要百分百信任他們的產(chǎn)品設(shè)計。
熱測試附加效益
LED供應(yīng)商和原始設(shè)備制造商目前在其它多個領(lǐng)域都會使用這一硬件技術(shù)。LED供應(yīng)商正在最常見的兩個方面用到它。
第一個是無損故障診斷。在這種情況下，供應(yīng)商可以利用熱測量技術(shù)對故障部分的“內(nèi)部”進行檢查，而無需將這部分分開。圖3便給出了相應(yīng)的例子。用過幾小時后功能退化的LED就會這樣被找出來。在熱阻-電容圖表中，藍色線條表示剛生產(chǎn)出來的LED,其它線條分別表示用過500小時、2000小時和3000小時的LED.水平方向上用過的LED的線條表示一個高熱阻層。這說明該層材料存在分層情況。空氣是一種比原材料更差的導(dǎo)熱體。這一類型的故障診斷測試能用于LED和IC封裝。
圖3:熱阻-電容曲線圖中水平方向上的紅線、綠線和黑線代表高熱阻層和可能的分層。
第二種情況就是參與生產(chǎn)過程。在生產(chǎn)LED時，膠水厚度等參數(shù)并不是固定不變的，因此測量工具便是生產(chǎn)線上的重要一環(huán)。先取樣，然后快速對“黃金”部分進行測試，很快便能發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的偏差，進而給予糾正。這種測試的投資回報非常可觀。負責子系統(tǒng)和系統(tǒng)開發(fā)的LED供應(yīng)商與原始設(shè)備制造商可以使用一個完整的元件來完成整個產(chǎn)品設(shè)計、應(yīng)用和故障分析(圖4)。
圖4:完善的熱和光測試/測量應(yīng)用如今已被實際應(yīng)用于LED產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)質(zhì)量以及無損故障分析。
為汽車供應(yīng)鏈提供支持
汽車供應(yīng)鏈上除了有汽車原始設(shè)備制造商，還有二級和一級供應(yīng)商(如圖5所示)。好的熱設(shè)計要有熱分析，這也是一級和二級設(shè)計者所需要的。這種熱分析通過精準及時的物理測試和對組件、子系統(tǒng)以及系統(tǒng)的測量得到支持和驗證。汽車原始設(shè)備制造商想要證明的是他們所購買的產(chǎn)品將具備高度可靠性和低能耗運行。
雖然設(shè)計時使用廣泛的“虛擬樣機”可以讓產(chǎn)品更具競爭力，從而達到更快營銷的目的，但使用快速精確的測試和測量工具對供應(yīng)鏈的作用仍不容小覷。要不然，開發(fā)出的產(chǎn)品會具有臨界可靠性，原始設(shè)備制造商也會為此付出高昂的代價。
