眾所周知，半導體材料在工作時受環(huán)境溫度影響較大。大功率LED的光電轉換效率更低，工作過程中只有10%～25%的電能轉換成光能，其余的幾乎都轉換成熱能。加之汽車前大燈安裝在炙熱的發(fā)動機艙內(nèi)，高溫水箱、引擎、排氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱將LED前大燈置于嚴酷的環(huán)境中。傳統(tǒng)車燈燈泡所產(chǎn)生的熱遠高于LED，但燈泡輸出的亮度不會因為熱而變化，其熱設計的重點是殼體內(nèi)的均溫設計。而LED的光輸出卻會因為自身的熱或來自發(fā)動機艙的高溫而影響本身PN結溫" title="結溫">結溫穩(wěn)定，LED光通量ФV和波長等重要參數(shù)受到PN結溫的直接影響，這種不良的溫度循環(huán)將導致發(fā)光效率和壽命急劇下降。因此散熱成為LED作為光源設計的重要課題。
1、汽車前大燈的散熱技術
1.1 被動散熱與主動散熱
通常的散熱設計中，焊裝大功率LED的電路板被緊緊固定在散熱器上。LED工作時所產(chǎn)生的熱量通過傳導方式經(jīng)由電路板被傳導到熱傳導率較好的鋁質(zhì)散熱器上。鋁質(zhì)散熱器的翼片與空氣大面積接觸將熱散發(fā)開來。為了有效地減小散熱器和電路板之間的熱阻" title="熱阻">熱阻，其間填充了導熱介質(zhì)。選用的散熱器其翼片形狀和面積是可以滿足LED大燈散熱方案的設計。這種散熱方式我們稱之為被動散熱[2]。
主動散熱常用液冷、熱管、風冷等方式。由于液冷使用的液體必須在泵的帶動下強制循環(huán)帶走散熱器的熱量，熱管則依靠高導熱性能的傳熱元件在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結來傳遞熱量，二者都不適合車燈內(nèi)使用。風冷散熱具有價格較低、安裝簡單等優(yōu)點最為常用。針對被動散熱方式存在的散熱器中心區(qū)域溫度相對集中的情況，加裝風扇強制對流后(見圖1)，對緩解散熱器溫度不均勻有明顯效果。
1.2 LED散熱通道設計
圖1：加裝風扇后強制對流
通常LED被焊在雙面敷銅層的印制板(PCB)上[1]，LED的底面與PCB的敷銅面焊在一起，為提高散熱效率，以較大的敷銅層作散熱面。這是一種最簡單的散熱結構[3]。
本文研究的汽車前大燈用LED是目前OSRAM公司最大功率的一種LEUMD1W4[3]；管芯散熱設計選用了一種更利于散熱的LE3S封裝[1]。這種封裝的特點是，以面積較大的銅合金散熱墊為基座，管芯固定在基座中央。同時將LED基座與鋁基板接觸區(qū)域的絕緣介質(zhì)剝離，使銅合金基座與鋁基板直接接觸。基座上的熱直接傳導至LED的外部。這種內(nèi)部結構去處了管芯和基座之間的介質(zhì)減少了熱阻，更直接地將管芯的結溫導出(見圖2a)。
圖2 ：汽車大燈用L ED、等效熱阻散熱路徑圖（點擊圖片放大）
眾所周知，半導體材料在工作時受環(huán)境溫度影響較大。大功率LED的光電轉換效率更低，工作過程中只有10%～25%的電能轉換成光能，其余的幾乎都轉換成熱能。加之汽車前大燈安裝在炙熱的發(fā)動機艙內(nèi)，高溫水箱、引擎、排氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱將LED前大燈置于嚴酷的環(huán)境中。傳統(tǒng)車燈燈泡所產(chǎn)生的熱遠高于LED，但燈泡輸出的亮度不會因為熱而變化，其熱設計的重點是殼體內(nèi)的均溫設計。而LED的光輸出卻會因為自身的熱或來自發(fā)動機艙的高溫而影響本身PN結溫穩(wěn)定，LED光通量ФV和波長等重要參數(shù)受到PN結溫的直接影響，這種不良的溫度循環(huán)將導致發(fā)光效率和壽命急劇下降。因此散熱成為LED作為光源設計的重要課題。
1、汽車前大燈的散熱技術
1.1 被動散熱與主動散熱
通常的散熱設計中，焊裝大功率LED的電路板被緊緊固定在散熱器上。LED工作時所產(chǎn)生的熱量通過傳導方式經(jīng)由電路板被傳導到熱傳導率較好的鋁質(zhì)散熱器上。鋁質(zhì)散熱器的翼片與空氣大面積接觸將熱散發(fā)開來。為了有效地減小散熱器和電路板之間的熱阻，其間填充了導熱介質(zhì)。選用的散熱器其翼片形狀和面積是可以滿足LED大燈散熱方案的設計。這種散熱方式我們稱之為被動散熱[2]。
主動散熱常用液冷、熱管、風冷等方式。由于液冷使用的液體必須在泵的帶動下強制循環(huán)帶走散熱器的熱量，熱管則依靠高導熱性能的傳熱元件在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結來傳遞熱量，二者都不適合車燈內(nèi)使用。風冷散熱具有價格較低、安裝簡單等優(yōu)點最為常用。針對被動散熱方式存在的散熱器中心區(qū)域溫度相對集中的情況，加裝風扇強制對流后(見圖1)，對緩解散熱器溫度不均勻有明顯效果。
1.2 LED散熱通道設計
圖1：加裝風扇后強制對流
通常LED被焊在雙面敷銅層的印制板(PCB)上[1]，LED的底面與PCB的敷銅面焊在一起，為提高散熱效率，以較大的敷銅層作散熱面。這是一種最簡單的散熱結構[3]。
本文研究的汽車前大燈用LED是目前OSRAM公司最大功率的一種LEUMD1W4[3]；管芯散熱設計選用了一種更利于散熱的LE3S封裝[1]。這種封裝的特點是，以面積較大的銅合金散熱墊為基座，管芯固定在基座中央。同時將LED基座與鋁基板接觸區(qū)域的絕緣介質(zhì)剝離，使銅合金基座與鋁基板直接接觸。基座上的熱直接傳導至LED的外部。這種內(nèi)部結構去處了管芯和基座之間的介質(zhì)減少了熱阻，更直接地將管芯的結溫導出(見圖2a)。
圖2 ：汽車大燈用L ED、等效熱阻散熱路徑圖（點擊圖片放大）
本文研究的LED汽車前大燈主要散熱路徑是：管芯→銅合金基板→鋁基板→散熱器或機殼→環(huán)境空氣，(見圖2b)。若LED的結溫為TJ，環(huán)境空氣的溫度為TA，散熱墊底部的溫度為Tc(TJ>Tc>TA)，在熱傳導過程中，各種材料的導熱性能不同，即有不同的熱阻。管芯傳導到散熱墊底面的熱阻為RJC(LED的熱阻)、散熱墊傳導到PCB面層敷銅層的熱阻為RCB、PCB傳導到環(huán)境空氣的熱阻為RBA，則從管芯的結溫TJ傳導到空氣TA的總熱阻RJA，RJA與各熱阻關系為：RJA=RJC+RCB+RBA，銅合金基板和鋁基板導熱性能接近且熱阻小，其導熱性能就好，即散熱性能也越好[2]。該散熱結構的總熱阻比常規(guī)結構減少近26%。
2、車燈環(huán)境的系統(tǒng)設計
由于現(xiàn)階段的LED的輸出光通量低，僅汽車近光燈就需要1000lm以上。考慮到汽車前大燈的配光要求以及電學、光學參數(shù)的穩(wěn)定性，LED應用于汽車前大燈常需要集幾顆甚至幾十顆LED元件于一塊模組中，才能滿足車燈法規(guī)所需的要求。目前，我們針對O2star[1]和X2lamp產(chǎn)品的類似封裝進行配光設計。其中OSTAR4chip車燈專用的LEUMD1W4[3]單只LED輸出光通量大于350lm，陣列3只這種LED即可滿足車燈1000lm的基本要求。
(1)擴大散熱面積提高傳導效率。在LED汽車前大燈近光單元設計中，3顆大功率LED陣列在鋁基板上。這種緊密排列的大功率LED熱量的高度集中和散熱難度可想而知。試驗樣件的做法是鋁基板與散熱器緊密貼合固定。二者之間的填充了性價比較高且使用簡單的導熱硅脂，在整個散熱系統(tǒng)中，硅脂層其實是散熱關鍵之所在。目前主流導熱硅脂的導熱系數(shù)均大于1W/m·K，優(yōu)質(zhì)的可達到6W/m·K以上，試驗選擇了性價比較高導熱率達到4。4W/m·K的TG2244導熱硅脂。
圖3：風冷和外置散熱（點擊圖片放大）
(2)強制對流提供與外界空氣熱交換。在散熱片的背面加裝風扇促使強制空氣流動。風扇加速了散熱片的熱交換的同時，流動的空氣也直接從PCB板上帶走了部分熱量。由于燈體的狹小且密封，與外界的空氣對流幾乎不可能。圖3a所示風冷結構中風扇的強制對流可以緩解散熱器中心區(qū)域與周圍環(huán)境的溫度不均勻，使燈體內(nèi)部和燈體外殼的溫度盡量接近。有助于將內(nèi)部的熱通過外殼和外置散熱器傳導出去。
(3)散熱器部分外置。根據(jù)發(fā)動機艙內(nèi)的分布及燈體安裝的空間大小，將燈體散熱器設計為內(nèi)置和外置二個部分，如圖3b所示。外置散熱器設計在燈殼的上緣。內(nèi)置LED產(chǎn)生的熱由內(nèi)置散熱器傳導到外置的散熱片上，再通過對流散熱。考慮到燈光通常在行駛時開啟，發(fā)動機艙受到強對流風冷的作用，溫度相對較低。加之車燈外殼上緣恰好暴露在車前蓋的縫隙處，車輛行駛時車蓋縫隙導入的氣流流經(jīng)外置散熱片的翼片，外置散熱器受到空氣的風冷。外置散熱器對燈內(nèi)的降溫發(fā)揮了很好散熱作用。
3、試驗方法和數(shù)據(jù)
3.1 試驗設置和設備
根據(jù)理論設計、數(shù)據(jù)仿真，制作了試驗模型和LED前大燈工作樣件。樣件制作要求盡量接近目標產(chǎn)品，以求研究成果更快更好地轉換為產(chǎn)品。燈體內(nèi)分別安裝了以LED為光源的遠光燈、近光燈以及轉向燈、位置燈。測試觀察的重點是燈體內(nèi)部溫度對光衰的影響。
主要測試設備為遠方光電信息有限公司的YF1000光色電綜合分析系統(tǒng)、車燈配光自動測試系統(tǒng)以及多點溫度檢測儀等專用設備。測試點分別是：車燈照度、光型、LED光源溫度、PCB溫度、散熱器溫度以及燈腔不同位置的溫度梯度[4]。設備具有自動記錄和數(shù)據(jù)預置功能，以驗證散熱與光衰的關系。
3.2 試驗數(shù)據(jù)
圖4是LED光源溫度與光衰在不同的散熱方式下的關系曲線。圖中可見僅PCB散熱、加散熱器的被動散熱和強制對流的主動散熱3種不同散熱設計存在相當大的差異。后二種在105℃時，基本上能夠提供80%以上的出光率。
圖4：散熱效果不同對光衰的影響
一般功率器件(如電源IC)散熱計算中，只要結溫小于最大允許結溫溫度(一般是125℃)就可以了。但在大功率LED散熱設計中，其結溫TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ對LED的出光率及壽命有較大影響，TJ越高會使LED的出光率越低，壽命越短。OSTAR公司給出的大功率白光LED的結溫TJ在亮度衰減70%時與壽命的關系，如圖5所示。
圖5：OSTAR公司LED結溫影響壽命圖
我們對圖3b所示的前大燈樣件做了不同條件下的光衰測試，試驗建立在LED散熱良好的基礎上，模組安裝在大燈封閉殼體內(nèi)，溫度檢測點在LED光源附近。試驗數(shù)據(jù)采集時的環(huán)境溫度是在燈體外部施加的。試驗結果表明環(huán)境溫度60℃時，光衰緩慢；100℃時，光衰加劇(見圖6)。
圖6：不同溫度環(huán)境下LED的光衰
4、結論
LED自身的PN結產(chǎn)生的結溫升高，使LED的光衰加劇、發(fā)光效率受到影響，壽命變短。應用LED作為汽車前大燈光源時，通常會采用多個LED芯片陣列設計。因此在LED前大燈樣機設計中，首先做好LED散熱設計使結溫受到控制之后，根據(jù)LED大燈的運行環(huán)境，控制驅動功率和溫升，大功率LED小于80%的光衰和3000h的壽命才能得到基本保障。LED汽車前大燈產(chǎn)品才有廣泛的市場前景。
參考文獻：
[1]王耀明，王德苗，蘇達。大功率LED的散熱封裝[J]。江南大學學報：自然科學版，2009(1)：58261。
[2]王偉，王萬良，潘建根，等。大功率LED參考熱阻測試系統(tǒng)研究與分析[J]。液晶與顯示，2009(2)：2942298。
[3]OSTARLEUWD1W4DataSheet，OSRAMOptoSemiconductor，Rev。03A2v[Z]。2008。
[4]魯祥友，華澤釗，劉美靜，等。基于熱管散熱的大功率LED熱特性測量與分析[J]。光電子。激光，2009(1)：528。
[5]王靜，吳福根。改善大功率LED散熱的關鍵問題[J]。電子設計工程，2009(4)：1232125。
[6]陳元燈。LED制造技術與應用[M]。北京：電子工業(yè)出版社，2007。