紧凑型封装和IoT应用于下一代SSL的散热问题
除普通照明外，LED还渗透到很多领域。与此同时，物联网（IoT）也在迅速发展。预计新增电子设备将额外增加70％的总热量。因此，解决热问题将再次变得更加重要; 与足迹面积和成本相当。Ozyegin大学EVATEG节能电子和照明技术中心主任Mehmet Arik教授和Ozyegin大学的硕士学生Umut Zeynep Uras教授介绍了由紧包装引起的当前局部热点问题。还将讨论添加IoT的未来照明系统问题的严重程度。最后，将展示应对这些挑战的可能技术。
基于FR4的LED引擎，同时所有功能同时运行
虽然发光二极管（LED）已渗透到通用照明和汽车照明的许多领域，但显示应用是该技术的首批采用者。白色和许多颜色产品以及高品质特征为最终客户提供了独特的优势。然而，由于对光提取和寿命的影响以及物理系统中的重量加法器，热管理仍然是主要瓶颈之一。物联网（IoT）一直在迅速发展，全球拥有超过550亿个固定装置的照明系统被视为广泛应用空间的绝佳机会。
用于物联网功能的通信，控制，传感和电源的新增电子设备预计将为总体热量的产生量增加70％以上。它将显示一个大问题在同样的体积，占地面积和成本上变得更加重要。在本文中，将会介绍一些当前局部热点问题，这些问题是由于LED紧密封装引起的一些关注物联网的应用增加了未来照明系统以及问题的严重性。
问题集介绍
发光二极管（LED）为诸如汽车照明，安全照明和显示技术等广泛的照明应用带来独特优势。由于各种颜色选择具有高光效，LED在照明行业占据主导地位。尽管与传统老式系统相比，LED具有相当高的能源效率，但仍有70-80％的输入电力输入功率被转换为热量[1,2]。如果释放的热量不能转移到环境中，会导致LED结温升高，从而导致光学损耗，灾难性缺陷和寿命问题[3,4]。因此，热管理是LED照明系统可持续性的一个重要问题。文献中已经研究了几种热管理解决方案。根据环境条件和问题要求，可以使用被动或主动冷却技术来克服其中一些散热问题。物联网（IoT）在过去的十年中受到了极大关注，并且更多地关注如何在过去五年中利用LED系统中的物联网。虽然智能传感器和网络功能是智能照明系统中的一些先进技术，但它们将在未来几年提供巨大的机会。但是，目前的LED照明应用还没有达到物联网目标的梦想。因此，在可能的LED系统中看到一些高端和高功能特性会很有趣。由于热管理仍然是LED系统的主要挑战，物联网的更多功能将会给科学家和设计工程师带来严重的问题。查看一些当前的方法来了解LED中的散热问题非常重要，然后将关注物联网嵌入式LED系统。
目前的汽车后部照明系统可能是紧凑封装形式中最接近的LED技术，IoT功能将在新系统上形成。双面LED光引擎在前侧装有LED，而电路板背面使用密集的电子元件和传感器[5,6]。Uras等[5]对LED汽车照明系统的热管理问题进行了详细研究。该系统具有严密的封装问题，有限的使用寿命，振动问题以及苛刻的功率需求 它不能轻易采用主动散热技术，因此他们选择研究被动散热管理解决方案。作为一种被动热管理技术，传统PCB的热性能可以通过高导热PCB基板来提高[7]。由于传统FR4 PCB的热传导性差，LED和电子元件不能散发过多的热量。因此，PCB上会出现局部热点，结温会升高。在这方面，金属芯PCB由于其较高的导热性而改善了系统的热性能[8]。然而，在紧凑和密集的照明引擎中，MCPCB也不能有效满足LED的操作要求。因此，需要一种新型散热器技术。MCPCB也不能有效满足LED的操作要求。因此，需要一种新型散热器技术。MCPCB也不能有效满足LED的操作要求。因此，需要一种新型散热器技术。
Tamdogan等人 [9]报道，高功率LED和电子设备需要新颖的热管理技术，如微喷射，微通道和浸入式冷却方法。他们研究了利用不同冷却剂的各种冷却方法的大功率LED光引擎的计算和实验热特性。尽管多相液体冷却效果更好，但LED芯片周围的气泡产生导致显着的流明退化。然而，单相液体冷却的光引擎显示出高效的热性能，同时提高了15％的光提取。因此，研究表明，单相浸没式液体冷却是一种可能的冷却方法，以提高大功率LED的散热性能。在另一项研究中，Arik等人 [10]将合成射流作为高功率电子设备的新型冷却装置。与其他强制对流装置相比，合成射流由于尺寸小而适用于许多应用。
图1a和b： 汽车照明系统：LED侧（a），电子侧（b）
物联网将带来许多传感器和通信功能，因此PCB的电子元件密度（可能是光引擎）将显着增加，同时现有电子元件的功耗上升。物联网是智能设备，传感器和执行器连接并能够通过互联网平台相互通信的环境[11]。近年来，物联网一直在迅速发展，预计五年内将有500亿个智能设备连接[12]。智能设备将在医疗保健，能源，照明，汽车，智能电网和家庭自动化等许多不同领域发挥作用[12,13]。物联网也将整合这些个别领域。如智能建筑将管理房屋的能源效率，还将分析家庭的舒适度和健康状况[13]。虽然物联网提供了许多好处，但它也有一些挑战和担忧，如隐私，安全性，开放性[14,15]和功耗[16]。如前所述，到2020年，将有约500亿个智能设备相互连接。因此，智能传感器，通信设备和电子元件的数量将比今天高得多，并且它们的功耗会更高。因此，权力将成为物联网应用的重要关注点。对于物联网设备，移动性非常重要，所以他们应该使用电池进行操作[11]。然而，目前的电池具有有限的寿命和能量存储问题。随着智能设备的增强功能，将会出现更多的电力需求。如前所述，到2020年，将有约500亿个智能设备相互连接。因此，智能传感器，通信设备和电子元件的数量将比今天高得多，并且它们的功耗会更高。因此，权力将成为物联网应用的重要关注点。对于物联网设备，移动性非常重要，所以他们应该使用电池进行操作[11]。然而，目前的电池具有有限的寿命和能量存储问题。随着智能设备的增强功能，将会出现更多的电力需求。如前所述，到2020年，将有约500亿个智能设备相互连接。因此，智能传感器，通信设备和电子元件的数量将比今天高得多，并且它们的功耗会更高。因此，权力将成为物联网应用的重要关注点。对于物联网设备，移动性非常重要，所以他们应该使用电池进行操作[11]。然而，目前的电池具有有限的寿命和能量存储问题。随着智能设备的增强功能，将会出现更多的电力需求。电力将成为物联网应用的重要关注点。对于物联网设备，移动性非常重要，所以他们应该使用电池进行操作[11]。然而，目前的电池具有有限的寿命和能量存储问题。随着智能设备的增强功能，将会出现更多的电力需求。电力将成为物联网应用的重要关注点。对于物联网设备，移动性非常重要，所以他们应该使用电池进行操作[11]。然而，目前的电池具有有限的寿命和能量存储问题。随着智能设备的增强功能，将会出现更多的电力需求。
为了解决高功耗问题，Ju和Zhang [16]提出，需要小尺寸和适当的能量存储量的低功耗物联网设备的能量收集，并提出无电池物联网（IoBT）。物联网的主要目标之一是提高设备和电子设备的能力，同时降低能耗。在这方面，除了调查新颖的低功耗技术之外，最大限度地减少组件的功率损耗至关重要。新设备已经开发出低功耗的概念。然而，由于体积小和传感器，致动器和电子设备使用率高，系统总热通量的增加构成了高效的热管理要求。如前所述，即使在今天电子系统中的热问题，随着提供物联网的传感器和电子设备的数量不断增加，电子产品的热通量预计将增加超过70％。由于传统印刷电路板的导热性较差，因此会出现影响系统可靠性的局部热点。因此，应该改进新颖的PCB解决方案。
全球拥有超过5500亿灯具的照明系统被视为广泛应用的绝佳机会。照明系统几乎用于所有生活空间和大量户外区域。物联网应用也将在所有这些地方都很活跃，因此照明设备可能构成一个平台。根据Lowe [17]，汽车拥有大量的微控制器，并且由于其移动性，它们可以被视为终极智能移动设备，因此汽车行业将在物联网转换中发挥关键作用。由于其现有的电子结构和安装在汽车上的地方，汽车的照明装置可以被增强以收集和感测来自环境的数据。因此，在这项研究中，研究了汽车尾灯系统。汽车照明系统也将面临由物联网组件产生的热通量增加所带来的热挑战。由于尺寸和成本问题，LED和电子元件集成在同一块电路板上。而且，所有灯泡功能，停车灯，信号和位置都在一块PCB上运行。因此，即使在目前的情况下，所选LED照明系统也会出现复杂的热量问题。当考虑到IoT超过传统照明设备时，在相同的体积和占地面积下，硬质问题将变得更加困难。即使在目前的情况下，在选定的LED照明系统上也会出现复杂的热量问题。当考虑到IoT超过传统照明设备时，在相同的体积和占地面积下，硬质问题将变得更加困难。即使在目前的情况下，在选定的LED照明系统上也会出现复杂的热量问题。当考虑到IoT超过传统照明设备时，在相同的体积和占地面积下，硬质问题将变得更加困难。
在这项研究中，分析了具有紧凑封装电子元件的FR4光引擎的热性能，然后作为替代解决方案研究金属芯PCB。当了解MCPCB不适用于紧凑型光引擎时，由于具有高导热性，研究了一种由先进的纳米结构蒸气室组成的散热器。它可以通过消除局部热点来为当前的散热问题提供解决方案。后来，人们开始将注意力转向模仿相同系统，增加物联网功能，例如提高发热率。开发计算模型并详细讨论结果。
图2： 基于FR4的LED引擎，同时执行所有功能
实验研究
由于目前的电子基础设施[17]，预计车辆将成为物联网的主要部分之一。电子产品已被用于车辆的多个领域的多种用途。例如，电力电子器件用于汽车的照明系统以驱动LED。这些电子系统可以为物联网应用建立子结构。因此，本研究将分析用于汽车后照明系统的LED光引擎。后部照明系统由信号，停止和位置三个不同功能组成（图1）。通常，对于这三个功能，通常使用三个独立的光引擎。由于LED的独特优势，可以将所有这些功能集成到单个光引擎上。虽然LED是节能的资源，如果所有三种功能同时工作，组合LED和驱动器电子器件的发热量会增加。由于可用性，易于加工和成本，业界首选的用于轻型发动机的PCB材料是FR4。但是，由于FR4的导热性差，PCB上元件产生的热量不能均匀扩散，所以局部热点会出现在元件和PCB上。因此，LED的结温可以超过100°C，这是大多数LED的临界温度[3]。因此，由于传统电路板的散热限制，LED和驱动器电子元件被放置在单独的PCB上。但是，这项研究旨在将电子元件和LED结合在一块紧凑的PCB上。当物联网功能添加到当前系统中时，电子产品的数量和功耗将增加，因此散热问题将不断增加。因此，应开发新型散热板技术来克服这些散热问题。
为了开发一种新型散热器板，通过观察其散热性能来理解传统FR4板中的当前问题是第一步。近年来，金属芯印刷电路板（MCPCB）也被用于改善LED光引擎的热性能。因此，最初生产了三个相同的66x80x2.75毫米带FR4，铝和先进散热器底座的光引擎。柔性印刷电路板针对每个基材设计，因为蒸气室表面不直接用于印刷电路。Flex PCB由40μm铜层和160μm环氧玻璃纤维层组成。使用导热率为0.60 W / m·K的高导电性双面粘合剂将柔性PCB组装到每个基板的正面和背面。然后，16个LED; 10个红色LX E6SF和6个琥珀色LXG6SP LED; 安装在PCB的正面。驱动LED的电子元件位于PCB的背面，如图3所示。
图3： LED引擎正面和背面的示意图
图4： 紧凑型光引擎的计算模型 - 前视图（LED）和后视图（电子设备）
计算研究
为了观察当物联网应用适应当前系统时LED光引擎驱动电子器件可能的功率增加的热效应，在市场上可买到的计算流体动力学软件Icepak 14.5 [18]中进行了计算研究。CFD模拟允许用户轻松更改模型参数和实验条件。因此，计算研究由四种情况组成，这些情况代表了将IoT应用程序集成到LED光引擎时的预期情景。第一种情况代表LED光引擎的当前性能，没有任何智能功能。在第二，第三和第四种情况下，驱动电子设备的功率级别分别增加25％，50％和70％。所有情况下，LED光引擎的几何模型都是相同的。
在计算研究中，对基于FR4的LED引擎的热性能进行建模。因此，基板材料选择为导热率为0.35 W / m·K的FR4，而柔性PCB的导热系数选择为正交各向异性，材料的导热系数为12,12.3和0.35 W / m·K（kx， ky，kz）。根据制造商的规格，LED被模型化为具有其原始几何形状的LCC封装。晶体管Q1，Q3，Q5和Q6被建模为封装SOT223，晶体管Q2，Q4和Q7被建模为SOT23封装。采用积分球法测量红色和琥珀色LED的辐射功率。因此，红色和琥珀色LED的效率分别为27％和4.9％。电子元件的效率被接受为10％。为了增加网格精度，为几乎所有的LED和电子元件创建单独的组件。网格灵敏度研究已经在每个计算模型之前进行。
结果与讨论
物联网与当前技术的集成将很快成为必不可少的。这些新功能将导致相同或更小尺寸区域内的电子器件数量和功耗增加。预计电子产品的整体发热量可能会增加70％。因此，本研究旨在探讨先进的散热器基板技术，以解决新一代电子系统可能出现的热问题。
为了理解物联网对系统的影响，首先通过红外热成像技术分析了用于汽车后部照明系统的三个基于FR4的LED光引擎的基线系统的热性能。借助IR热成像技术，在环境温度为25°C时捕获发动机前部和后部的表面温度。虽然发动机前部的最大和最小表面温度在琥珀色LED-LED12上分别为103.4°C和PCB上为46.9°C，但发动机后部的最高和最低表面温度在电阻器R17上观察到为103.4°C，PCB上为46.9°C。图4a显示了基于红外热成像的PCB上的热分布。由于FR4 PCB材料的低导热性，热量不能均匀地扩散到PCB上，所以PCB上以及LED和电子元件上出现热点。在操作过程中，典型LED和电子部件的结温限制约为100°C。然而，由于分析了基于FR4的LED引擎的散热性能，在LED侧，一些LED的最高温度超过该临界温度。而且，在电路板的背面，两个电阻的温度非常接近工作温度极限。
图5a和b： 基于FR4的光引擎的IR热成像结果（a）和CFD温度分布（b）在所有功能期间同时工作（LED侧在顶部和电子侧在底部）
为了验证实验数据并研究IoT添加到当前系统中可能产生的热效应，光引擎使用CFD软件进行建模，具有更高的发电率。首先，解决了基于FR4的光源的原始功率的CFD模型。然后，对于验证过程，将CFD结果与实验结果进行比较，如图5和图6.为进行比较，从LED和电子设备中选择10个点。如图6所示，在这十个点中，晶体管Q5的最大差异为4％。在CFD模型创建过程中，LED引擎的原始几何被简化，导致实验结果和计算结果之间的差异。
图6： 红外热成像与模拟结果的比较
由于观察到计算和实验结果之间的非常好的一致性，因此该模型可以解决其他CFD案例以分析当前LED引擎与智能应用的热性能。预计物联网功能会导致电子产品功耗增加70％。因此，该模型通过增加25％，50％和70％的电子器件功耗而被修改，这代表了未来的智能LED引擎。
图7a-d： 放置在光引擎上的电子元件的温度分布：（a）无IoT的基线增加发热量（b）与电子产品相比，25％（c）50％和（d）70％的发热率增加
从图7a-d可以看出热问题的重要性。虽然电子器件的功耗增加了70％，但电子器件所承受的最高温度却增加了±25％。电子设备上的温升如图8所示。光引擎的最高温度上升到130.9°C，可能导致灾难性故障。
图8： 功率增加导致电子元件温度升高
图9a-d： 放置在光引擎上的LED的温度分布：（a）没有IoT的基线增加发热量（b）与电子产品相比，25％（c）50％和（d）70％
图10： 由于电子元件功率增加，琥珀色LED温度升高
虽然LED的功耗在不同情况下不会改变，但如图9a-d所示，LED的温度和电路板上的热分布由于电子设备的功率增加而发生变化。如图9和图10所示，当琥珀色LED的最高温度增加+ 8.5％时，红色LED分别出现+ 12％的温升。尽管电子产品中添加了25％，50％和70％的功率，但LED-12的最高温度分别从103.4°C达到104.9°C，108.4°C和111.0°C。由于当FR4材料用作基板时，即使在没有IoT附加功率的当前情况下，LED的结温也超过临界温度，电子设备中的额外发热使得这种情况更加严重。
发现在中心线LED（LED-12）处观察到最高温度，因为与光引擎上的其他LED相比，局部热生成是最高的并且传热路径相当有限。尽管温度升高了大约13％，但通过使用高导电板或蒸气室系统来改善电路板的导电性能，也许可以消除这种情况。
图11： 电子元件功率增加导致红色LED温度升高
图11显示了具有最低驱动功率要求和最低发热率的红色LED的结果。虽然电子产品的发热量增加了70％，但温度上升仅增加了约12％。当评估真实的汽车环境时，环境温度将远远高于室温。可以推断，如果将IoT功能添加到当前系统中，则系统将比现在更紧凑，因此目前的散热问题将更加困难。因此，尽管FR4基板不适用于均匀电流应用，但对于未来更复杂的技术，应开发新型散热器PCB基板。
图12a-c： （a）FR4，（b）AI和（c）先进的基于散热器的光引擎的IR温度记录器，在所有功能（LED侧）
图13a-c：（a）FR4，（b）AI和（c）先进的基于散热器的光引擎的红外热图 ，在所有功能（电子方面）
近年来，金属已被用作PCB基板材料以增强LED发动机的热性能。MCPCB允许三维热扩散，而FR4 PCB仅在一个维度上传导热量[8]。铝板的替代解决方案的设计。尽管所有三种功能同时工作，但最高LED温度测量值为84.1°C。此外，最高电子温度为78.6°C。因此，在LED侧和电子设备侧，铝基板比基于FR4的LED发动机性能提高18.7％和18.2％。根据图12和13，在基于Al的板上，与基于FR4的板相比，观察到更均匀的热分布。
尽管基于金属的电路板显着改善了光引擎的热性能，但对于添加物联网的应用来说，它可能还不够。因此，在这项研究中，包括蒸气室结构的散热器基板被提议作为新一代物联网的可能基板，增加了LED引擎。先进的散热器基板的热性能可以在图12和图13中观察到.LED的最高温度经历为77.9°C，因为电子部件的最高温度为79.4°C。因此，在正面，先进的散热板比基于FR4的板具有24.7％的更好的散热性能，并且在板的侧面，高级散热板比基于FR4的板具有17.4％的更好的散热性能。在先进的散热器技术中观察到大部分均匀的温度分布。在这方面，先进的散热器基板可以成为克服未来技术预期的热问题的适用解决方案。
总结和结论
LED的独特优势，例如高流明效率，多种颜色选择和无毒结构，将LED引入最前沿。汽车，通用照明和显示器行业主要是LED应用。尽管与传统光源相比，它们的电能与光子转换率相当高，但仍然约20％的供应给LED的功率变成热量，从而导致热问题。近年来，在我们生活的所有领域都将发挥效用的物联网模式处于前台，全球拥有超过5000亿固定装置的照明系统被视为广泛应用的绝佳机会。另外，由于目前的电子系统和移动功能，汽车可能构成物联网应用的平台。因此，在这项研究中，针对新一代物联网附加应用的热性能评估可能的候选汽车后部LED照明系统。首先，评估基于FR4的LED发动机的散热性能，并在CFD程序中对其进行建模。然后，针对不同的情况解决计算模型，例如; 25％，50％和70％的功率添加到电子设备中，以确定由于IoT功率需求而产生的不利影响。金属和先进的散热器基板技术作为克服散热问题的解决方案。电子产品中增加50％和70％的功率，以确定由于IoT功率需求而产生的不利影响。金属和先进的散热器基板技术作为克服散热问题的解决方案。电子产品中增加50％和70％的功率，以确定由于IoT功率需求而产生的不利影响。金属和先进的散热器基板技术作为克服散热问题的解决方案。
该研究的后果可列举如下：
虽然电子能耗增加了70％，但电子产品所承受的最高温度却增加了±25％。当红色LED发生温度上升±12％时，琥珀色LED的最高温度增加±8.5％
在电子设备中添加25％，50％和70％功率的情况下，中央LED的最高温度分别从103.4°C达到104.9°C，108.4°C和111.0°C
在LED侧和电子侧，金属板比基于FR4的LED引擎性能提高18.7％和18.2％
在LED方面，先进的散热板比基于FR4的板具有24.7％的更好的散热性能，并且在板的侧面，高级散热板比基于FR4的板具有17.4％更好的散热性能
采用先进的散热器基板，可实现最均匀的温度分布
由于传统的FR4基板不适合未来的电子系统，因此由蒸气室结构组成的先进散热板技术可能成为新一代智能应用的可能基板技术
虽然物联网正在慢慢进入智能照明系统，但EVATEG研究中心正在研究可能的技术情景和热影响。开发新技术并实施技术快速部署是EVATEG团队的首要目标。
