美國能源部（DOE）對LED做出了如下評價(jià)：沒有其它照明技術(shù)可以具有像LED這樣大的節(jié)能潛力和提升我們建筑環(huán)境品質(zhì)。由于LED的使用壽命是結(jié)溫的函數(shù)，所以熱管理對于LED的性能至關(guān)重要。
位于California，SanJose的Philips Lumileds Lighting應(yīng)用技術(shù)經(jīng)理Rudi Hechfellner說：“到目前為止熱管理是LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的一個方面。LED系統(tǒng)生產(chǎn)商通過尋求優(yōu)化的散熱器、高效印制電路板、高熱導(dǎo)率外殼和其它先進(jìn)熱設(shè)計(jì)技術(shù)來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。由于熱仿真可以在物理模型建立之前，從散熱的角度評估不同設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化系統(tǒng)級設(shè)計(jì)，所以熱仿真的作用日益凸現(xiàn)?！?/span>
LED照明的出現(xiàn)
固態(tài)發(fā)光是一項(xiàng)新興的技術(shù)，其會在將來從根本上改變照明的形式。LED設(shè)計(jì)之初的功率小于50毫瓦。在過去十年間，LED的功率已經(jīng)上升為40～80lm/Watt。除了能效高之外，LED的使用壽命也長。根據(jù)不同的制造和類型，白色LED的使用壽命可以處于6000～50000小時(shí)范圍內(nèi)，高于30000小時(shí)的熒光（燈）管和2000小時(shí)的白熾燈泡。此外，LED可以不使用過濾器就產(chǎn)生單色光。
市場分析公司Yole Developpement說：LED在固態(tài)發(fā)光市場的收入將由2007年的10億美元上升到2012年的103億美元。Yole預(yù)計(jì)在2012年高亮度和超高亮度結(jié)合的LED收入將達(dá)到44.5億美元，這是2007年7億8千萬的5.5倍。這些固態(tài)發(fā)光裝置已經(jīng)成為不同應(yīng)用場合的燈源選擇，這些應(yīng)用場合包括交通信號燈、汽車和卡車的內(nèi)部和外部燈、屏幕可見顯示器、小型LCD背后照明和裝飾照明。最新的Isuppli報(bào)告（參考1）顯示，在一些新的場合也陸續(xù)的采用了LED。
散熱挑戰(zhàn)
與其它的燈源相比，高功率的LED產(chǎn)生了嚴(yán)重的散熱問題，這主要是因?yàn)長ED不通過紅外輻射進(jìn)行散熱。根據(jù)美國能源部門研究顯示，用于驅(qū)動LED的功耗75％～85％最終轉(zhuǎn)換為熱能，并且必須通過導(dǎo)熱的方式將熱量由LED芯片導(dǎo)入下部印制電路板、散熱器、外殼或者光源結(jié)構(gòu)元件等。美國能源部能效和再生能源部門得出了一個名為“Thermal Managementof WhiteLEDs”（參考2）的報(bào)告。簡而言之，過多的熱量會減少LED的光輸出和產(chǎn)生偏色。
此外，熱管理的優(yōu)劣還會產(chǎn)生一些長期的影響，諸如光輸出的減少會導(dǎo)致使用壽命的縮短。美國能源部門表示：制造商通常在25℃的固定結(jié)溫下對LED進(jìn)行測試。然而，在通常情況下結(jié)點(diǎn)的溫度為60℃或更高，在這些情況下LED燈的輸出可能只有額定的10％或更少。對于鎢燈泡而言，散熱途徑是通過熱輻射的方式，熱量直接由燈絲進(jìn)入到周圍環(huán)境中。LED裝置的主要散熱途徑是由芯片到系統(tǒng)外殼的導(dǎo)熱。
LED裝置的制造商提供了封裝級的熱管理。對于制造商而言，最為關(guān)注的是如何減小芯片到外部封裝的熱阻。通常一些小型安裝在平板上的LED燈有許多引線，這些引線形成了主要的導(dǎo)熱路徑，并且對于這些LED而言，其芯片到引線的熱阻至關(guān)重要。封裝設(shè)計(jì)依據(jù)制造商和LED類型變化，但封裝的理念卻很相似。
在這個例子中，LED芯片通常利用粘結(jié)層（bondlayer）被貼賦到一個金屬連接層（metalinterconnectlayer），而這個金屬連接層又被貼賦到一個陶瓷基座（Ceramic Substrate）和一個電絕緣導(dǎo)熱墊（Thermal Pad）。整個封裝設(shè)計(jì)的目的是最大化光學(xué)輸出和從LED芯片背部去除熱量。
Hechfellner說：即便是最高效的LED裝置也要求為其設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)的燈源是通過輻射方式進(jìn)行散熱，所以他們不會產(chǎn)生此類散熱問題。許多LED制造商在電和結(jié)構(gòu)方面有著比熱方面更多的經(jīng)驗(yàn)。工程師們需要改變他們的理念，并且應(yīng)該先考慮散熱后考慮電。對于LED系統(tǒng)制造商而言，現(xiàn)今設(shè)計(jì)中面對的挑戰(zhàn)90％是由散熱所引起，而電和結(jié)構(gòu)所引起的問題僅僅占到10％。
Hechfellner補(bǔ)充說：系統(tǒng)級制造商所面對的最大問題是研發(fā)一種散熱效率高的燈座，LED裝置可以方便的插入這一燈座，而熱量可以迅速的導(dǎo)入至環(huán)境中。就我所知，當(dāng)前市場上還沒有這種系統(tǒng)。改善導(dǎo)熱截面材料和設(shè)計(jì)工具是進(jìn)行研發(fā)這類系所必須的。我們致力于創(chuàng)造一個良好的研發(fā)平臺，諸如可以幫助精確模擬LED的仿真工具，從而便于我們的客戶進(jìn)行更好的熱設(shè)計(jì)。
LED封裝的本質(zhì)是即便LED的效率增加，但散熱的問題依舊存在。由于光輸出隨著溫度升高而減小，更大比例的電功率轉(zhuǎn)化為熱會進(jìn)一步的提升LED的溫度。隨著時(shí)間的推移LED的光輸出會減少，而它的熱量又會加速LED的老化。一個常用的白色LED光通量衰減指標(biāo)是磷光體泛黃，這可能是由于受熱引起或者是環(huán)境誘發(fā)，但這并不意味著芯片低效率工作或有更多的熱量產(chǎn)生。熱管理的方案需要滿足在LED整個使用周期里都能去除熱量的要求。
并且需要清楚的了解LED所受的尺寸限制和性能。LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)的本質(zhì)是有效的將熱量從LED散熱片，金屬塊或引腳傳遞到周圍環(huán)境中。在金屬塊和印制電路板墊片間必須進(jìn)行可靠和有效的連接。通常的熱量通過PCB上的熱過孔到達(dá)另一層的銅塊上。之后熱量通過導(dǎo)熱的方式進(jìn)入到外殼或外部散熱器中。當(dāng)一個外殼內(nèi)需要去除大量的熱時(shí)，需要一個外部散熱器。LED散熱器常用的材料是鋁或銅。由于散熱器和空氣之間的對流換熱熱阻影響很大，所以有必要對散熱器的幾何外形進(jìn)行優(yōu)化。
散熱器的性能取決于材料、翅片數(shù)、翅片厚和基座厚等參數(shù)。外部散熱器擴(kuò)展了換熱表面，便于熱量進(jìn)入到空氣中。優(yōu)化設(shè)計(jì)必須考慮散熱器周圍的空氣流動情況，而這一區(qū)域的空氣流動又受到散熱器的影響，所以對設(shè)計(jì)產(chǎn)生了不小的挑戰(zhàn)。材料銅可以具有很高的熱導(dǎo)率，但相同體積下鋁的重量更輕，同時(shí)價(jià)錢也更便宜。在一些PCB中通過使用一些基板來提升傳熱能力，這些基板使用陶瓷或者覆有鐵、鋁或其它材料。
LED應(yīng)用中最大的難題是要求用一密封的外殼來保護(hù)LED。解決這一難題可以使用高導(dǎo)熱率的外殼材料。當(dāng)然也采用一些復(fù)雜的方法。例如：空對空（air-to-air）熱交換設(shè)計(jì)使用通過內(nèi)部風(fēng)扇將熱量傳遞給內(nèi)部翅片，之后熱量由內(nèi)部翅片通過導(dǎo)熱方式進(jìn)入到外殼中。最后通過外部風(fēng)扇對連接在外殼上的外部翅片進(jìn)行冷卻。 結(jié)論 LED技術(shù)使節(jié)約能源，提高照明品質(zhì)和可靠性成為可能。LED設(shè)計(jì)過程中熱設(shè)計(jì)是非常重要的，以便滿足其性能、使用周期和花費(fèi)的要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師有許多選擇來解決散熱問題。新一代嵌入至CAD的熱和流體仿真軟件有助于工程師發(fā)現(xiàn)散熱問題和快速的優(yōu)化方案。在樣品階段可以通過測量物理模型來驗(yàn)證最后的設(shè)計(jì)方案，從而確保工藝的可行性。在這方面獲取的經(jīng)驗(yàn)有助于以后產(chǎn)品設(shè)計(jì)仿真。 在自動劃分網(wǎng)格和求解之后，如下圖所示可以在原有CAD模型上進(jìn)行仿真結(jié)果的觀察。冷空氣通過對流的方式進(jìn)入到燈的內(nèi)部，而熱空氣通過縫隙排出。DialightPLC使用嵌入到CAD中的CFD軟件設(shè)計(jì)LED照明系統(tǒng)。Dialight是應(yīng)用LED技術(shù)方面的領(lǐng)導(dǎo)者，其主要致力于以下兩個方面：1）元件：包括用于電子設(shè)備狀態(tài)顯示的低亮度LED。2）信號/照明：使用最新的高亮度LED技術(shù)用于交通和軌道信號燈、障礙燈、危險(xiǎn)場所照明，并且致力于在更多應(yīng)用場合使用LED技術(shù)。照明產(chǎn)品DigalightVP的GordonRoutledge說：“雖然LED的效率越來越高，但是還是有大量的輸入功率轉(zhuǎn)換為熱。電子器件和LED裝置的冷卻對于其長期的可靠性非常重要，因此包括流動分析在內(nèi)的熱分析有助于我們完成我們的研發(fā)計(jì)劃?！?/p>
監(jiān)測隨時(shí)間變化的溫度波動可以確定熱流是如何通過節(jié)點(diǎn)與外部環(huán)境中的每一層。這就允許我們直接測量諸如DieAttach等熱流路徑上的熱阻。由于LED具有快速的熱響應(yīng)，所以需要一些可以測量微秒時(shí)間段內(nèi)裝置中溫度變化的測量硬件。這類熱瞬態(tài)測量可能采用高精度的“結(jié)構(gòu)函數(shù)”，它有助于提供LED封裝、Die-Attach失效和其它結(jié)構(gòu)完整性問題等相關(guān)信息。
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