观念和材料的改变除可简化系统实现外，还可以显著提高热管理能力和可靠性。采用陶瓷作为散热器、电路载体以及产品设计的一部分不仅需要新思路，还要有克服传统模式的意愿。
基于计算流体动力学(CFD)的仿真过程支持热优化和产品工艺设计。本文将解释这种理论方法、概念验证以及如何借助陶瓷散热器最终实现这些改良。
热是什么
众所周知，LED是高能效光源，而且因为体积小深受设计师的喜爱。但只有当不涉及热管理时，它们才可以被真正地称为“小”。虽然与白炽光源高达2500℃的工作温度相比，LED光源温度要低得多。因此，许多设计师最终意识到散热是个不可忽视的问题。尽管LED仍然会发热，但其温度相对低一些，因此这不会有什么大问题。不过，基于半导体器件LED其工作温度应低于100℃。
根据能量守恒定律，热(能)必须要被传送到附近区域。LED只能工作在25℃环境温度和最高100℃之间，温差范围仅为75℃。因此，需要一个较大的散热表面和非常有效的热管理。
两个优化块
如图1所示，Group 1是LED本身，大体上仍是不能触摸。中心位置是LED裸片以及一个将该裸片与LED底部连接起来的散热铜条。从热的角度讲，理想方案是将LED裸片直接与散热器绑定在一起。由于大规模生产的原因，这一概念在商业上行不通。我们把LED看作一个标准化的“目录”产品，不能做改动。它是个黑盒子。
图1：在定义优化块时，三个Group构建成一个热管理系统。
Group 2包括散热器，散热器的功能是把热从发热源传递到散热源。通常，周围空气不是自由流动就是强制对流。散热器的材料越不雅观，就越需被隐藏。但是，它隐藏得越深，其制冷效率也就越低。当然，也可选用外观和性能都合适的材料。这些材料可以直接裸露在空气中，成为产品设计的可见部分。
在Group 1和Group 2之间是Group 3，它提供了机械连接、电气隔离和热传导。这看起来似乎很矛盾，因为大多数导热性好的材料也可导电。反之，几乎每种电绝缘材料也都隔热。
最好的折衷办法是把LED焊接到粘在金属散热器上的印刷电路板(PCB)上。PCB作为电路板的原始功能可被保留。虽然PCB具有各种热传导率，但它们都对热传导起着阻隔作用。
有效的系统热阻比较
可从制造商那里获得LED(裸片到导热片)和散热器间的热阻。不过，很少有人关注Group 3及其对整体热性能的显著影响。把除LED(Group 1)本身外的所有热阻都加在一起，可以得到总热阻(RTT)(图2)。通过RTT可进行真正的热比较。
图2：RTT指明了从LED散热片到周围环境的总热阻。
陶瓷：一种材料实现两种功能
仅优化散热器的作法很常见。目前已有上百种散热器设计，它们基本上都由铝构造。但为进一步改进性能，有必要提升甚至取消Group 3。电气隔离功能必须通过其它材料从散热器本身获得。我们认为这种材料应该是陶瓷。诸如Rubalit(氧化铝)或Alunit(氮化铝)等陶瓷材料将两个关键特性：电绝缘和热传导结合在一起。
Rubalit的导热性能比铝低，而Alunit的比铝略高。另一方面，Rubalit不像Alunit那么贵(图3)。它们的热膨胀系数可满足半导体的要求。此外，它们坚硬、耐腐蚀，并满足欧盟的有害物质限用指令(RoHS)。陶瓷是完全惰性物质，它们是整个系统最耐用的部分。
该简化结构(无胶粘、绝缘层等)将一个大功率LED与陶瓷散热器直接且永久地绑定在一起，为整个组件创造了理想的工作条件。这带来了优异的长期稳定性，安全的热管理和高可靠性。我们已为这一方法申请了名为CeramCool的专利。
理论依据
CeramCool陶瓷散热器是电路板和散热器的有效整合，可以对热敏感元件和电路进行可靠地散热。它支持器件间直接和永久的连接。此外，陶瓷本身是不导电的，它可以通过采用金属衬垫提供绑定表面。如果需要，甚至可提供针对客户的三维导体轨道结构。
对功率电子应用来说，可采用直接铜绑定。散热器变成一个模块基板，上面可密集摆放LED和其它器件。它可迅速地散掉产生的热且不产生任何热屏障。
