汽車前大燈LED光源散熱技術(shù)

李祥兵，王春才，王 坦，梅 文

（神龍汽車有限公司，湖北 武漢430056）

使用LED半導(dǎo)體照明，特別是汽車燈具的信號照明已被公認為是一種節(jié)能環(huán)保的必然趨勢。LED是一種直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光的器件，可以直接將電能轉(zhuǎn)化為光能。1W的輻通量在最理想的情況下（黑體輻射）可產(chǎn)生683lm的光通量［1］，所以，即使LED的光效達到當(dāng)前預(yù)期的200lm／W，也不能將全部的能量轉(zhuǎn)換為光能輸出，因為LED在輸入電能后，只有約15%～20%的能量轉(zhuǎn)換為光能，而其余多達80%以上的能量都轉(zhuǎn)化成了熱能。因此，從LED的能量轉(zhuǎn)化模式來看，LED燈具的散熱問題將是一個長期存在的問題。通常，對于小功率的LED（1W以下），其發(fā)熱問題并不嚴重，一般采用普通的封裝結(jié)構(gòu)和材料即可保證其正常使用。從當(dāng)前的汽車LED光源來看，LED出現(xiàn)光衰導(dǎo)致LED失效的可能性很大，而這一問題的根本解決，需要從LED的散熱方面著手。過高的熱量會使LED的結(jié)溫升高，產(chǎn)品壽命、亮度、穩(wěn)定性等下降。如果散熱解決不好，會導(dǎo)致LED產(chǎn)品迅速老化、失效。因此，LED照明產(chǎn)品推廣應(yīng)用的關(guān)鍵之一就是散熱技術(shù)。本文基于當(dāng)前神龍公司開發(fā)的某款車型大燈項目，對被動散熱中常用的翅片散熱方式進行了研究。

1 熱量對LED的危害分析

1.1 導(dǎo)致LED發(fā)光效率降低

一般而言，若LED產(chǎn)生的熱量無法完全導(dǎo)出，將會使LED的結(jié)點溫度過高，進而影響LED的發(fā)光效率。通常而言，溫度對長波長LED發(fā)光效率影響較大，而對短波長LED影響較小。當(dāng)結(jié)點溫度由25℃上升到100℃時，其發(fā)光效率將會衰退20%～75%。其中又以黃色光衰退75%最為嚴重［2］。當(dāng)LED的結(jié)溫升高時，器件的輸出光強度將減小；而當(dāng)結(jié)溫下降時，光輸出強度將顯著增加（圖1）。

圖1 LED的光輸出，壽命和結(jié)溫的關(guān)系

1.2 LED使用效率就會降低

LED的工作環(huán)境溫度越高，LED的壽命就會呈現(xiàn)指數(shù)性縮減。一般而言，環(huán)境溫度每升高10℃，LED的使用壽命就會下降一半。溫度每升高2℃，LED的可靠性就會下降10%。因此，為了保證LED具有較長的使用壽命和可靠性，一般對LED的結(jié)溫進行嚴格控制。LED結(jié)點溫度隨著輸入功率的增加而加大，其增大的趨勢在達到額定功率后加大［2］。

1.3 LED發(fā)光波長發(fā)生偏移

LED發(fā)光區(qū)域的禁帶寬度值直接決定了LED器件發(fā)光的波長或顏色。藍光、白光LED材料屬于III－V族化合物半導(dǎo)體。隨著PN結(jié)的溫度升高時，材料的禁帶寬度將減小，導(dǎo)致器件發(fā)光波長變長，顏色偏紅，整個LED串的均勻性就會變差。一般而言，在100℃下，波長可以偏移4～9nm，LED波長發(fā)生紅移，會導(dǎo)致LED熒光粉的吸收率下降，總的發(fā)光強度減少，白光色度變差，即出現(xiàn)色差。

2 LED熱量產(chǎn)生的機理分析

LED靠電子在能帶間躍遷產(chǎn)生光，其光中不含紅外成分。因此，產(chǎn)生的熱量不能完全靠輻射發(fā)出，故LED是冷光源。

LED的基本結(jié)構(gòu)是一個半導(dǎo)體PN結(jié)。當(dāng)電流流過PN結(jié)時，所加入的電能并非全部轉(zhuǎn)化為光能，大部分以熱能的形式留在PN結(jié)上，使PN結(jié)溫上升。對于LED的熱管理，主要可以分為熱量的導(dǎo)出和熱量的散發(fā)兩個部分，即導(dǎo)熱和散熱。一個典型的LED結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部的熱量流向如圖2所示。

圖2 典型的LED結(jié)構(gòu)圖

圖2 中，R1為LED芯片到焊層的熱阻；R2為焊層到襯底的溫度；R3為襯底到熱界面的熱阻；R4為熱界面材料到熱沉的熱阻；R5為熱沉到周圍環(huán)境的熱阻。而LED芯片的結(jié)溫與內(nèi)部各器件之間的熱阻存在直接的聯(lián)系

式中：Tj為LED的結(jié)溫；Tamb為LED工作環(huán)境溫度；P為系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換為熱能后的功率（輸入功率與光電轉(zhuǎn)換效率的乘積）。

從上述公式來看，降低LED結(jié)溫的途徑可以從芯片、封裝材料、模組的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)、PCB板設(shè)計來保證散熱。芯片與封裝材料之間，可以強化散熱傳導(dǎo)速度；芯片與PCB之間，將芯片高熱部分之間與PCB接觸來傳熱；在封裝材料方面，以前使用環(huán)氧樹脂，但其耐熱性能并不高，建議改用耐高溫、抗短波長的材料，如矽樹脂，其耐熱溫度150～180℃。

LED的散熱路徑見圖3。從圖3可以看出，可以從優(yōu)化管芯、散熱墊、敷銅層、介質(zhì)層等方面達到散熱的目的。

圖3 LED的散熱路徑

在實際散熱的實現(xiàn)方式中，LED產(chǎn)品的散熱方式分為主動散熱和被動散熱。主動散熱主要包括：加裝風(fēng)扇強制散熱、水冷散熱和半導(dǎo)體制冷散熱；被動散熱包括自然對流散熱、均溫板散熱、熱管及回路熱管散熱等。

3 汽車前大燈LED翅片散熱技術(shù)

LED散熱的出發(fā)點都來源于熱量的傳遞方式：對流、傳導(dǎo)和輻射。對LED本身而言，考慮到汽車燈具的特殊性，LED的散熱主要從對流和傳導(dǎo)方面將LED所發(fā)出的熱量轉(zhuǎn)移出去。

隨著多顆粒集成大功率LED的出現(xiàn)，LED本身的散熱性能已經(jīng)不能滿足整個車燈系統(tǒng)的散熱要求，必須增加新的散熱手段，在LED模組上新增翅片散熱器可以有效降低LED的工作溫度。所謂翅片，是指依附于散熱基礎(chǔ)表面上的擴展表面。常見的翅片形狀有針肋、直肋和環(huán)肋等（圖4）。肋片通過增加散熱面積達到增強散熱效果的目的。

圖4 常見的翅片形狀圖

3.1 翅片材料性能對散熱的影響

散熱器所使用的材料通常有金、銀、銅、鋁。在LED散熱方面，金和銀這兩種材料的導(dǎo)熱性可能是金屬中最好的，但其價格昂貴。鋁具有良好的導(dǎo)熱性，價格便宜且可加工性高，目前大部分散熱器采用鋁這種材料。有些散熱性能要求較高的設(shè)備采用銅來作為散熱材料，如電腦CPU，目前也出現(xiàn)了以銅為襯底、鋁為翅片的復(fù)合型散熱器。盡管銅的散熱性能超過鋁，但是銅的質(zhì)量是鋁的3倍，因此，考慮到成本問題，一般會選擇鋁作為散熱材料。另一方面，由于銅受高溫成型的限制，并且加工時間長，在加工中更容易損毀。

對鋁合金散熱器表面不同的處理方式也會導(dǎo)致LED散熱性能的差異。金屬鋁散熱器采取本色、輕微氧化或嚴重氧化等方式，提高其熱輻射性能；對塑料和陶瓷散熱器一般無需特別處理，就有很好的熱輻射性能，有時采用外觀噴涂顏色來進行美化處理。

3.2 翅片結(jié)構(gòu)差異對LED散熱性能的影響

由于翅片散熱本身屬于被動式散熱器，主要依靠輻射和對流將LED熱量散發(fā)到空氣中去，因而具有結(jié)構(gòu)簡單、不耗能、重量輕和體積小等特點，特別適合小功率（比如車燈LED）的熱量導(dǎo)出。在設(shè)計參數(shù)方面，翅片的高度、寬度和厚度都影響著翅片的散熱性能。J.Richard Culham等研究了翅片數(shù)量對散熱性能的影響，并得出了最優(yōu)化的翅片數(shù)量。另外，通過研究表明，當(dāng)LED之間的距離增加時，散熱性能將會提高，但達到一定程度后，其變化會很緩慢。當(dāng)翅片的數(shù)目增加時，LED的結(jié)溫會逐級下降，直到散熱承受最多的散熱翅片為止。但是，散熱器的翅片增加，必定增加散熱器的重量。因而散熱器翅片的數(shù)目增加也是有限制的。

下面分別從傳導(dǎo)、對流和輻射等三方面分析神龍公司某車型采用的LED散熱結(jié)構(gòu)（圖5）的散熱性能。

1）傳導(dǎo)

傳熱學(xué)認為，單位時間內(nèi)通過單位截面積所傳導(dǎo)的熱量，正比于此處垂直于截面方向上的溫度變化率。把肋片的導(dǎo)熱簡化為一維穩(wěn)態(tài)平壁導(dǎo)熱模型后，可得其傳導(dǎo)的傅里葉定律：

式中：Φ為熱流量，q為熱流密度，λ為平壁的熱導(dǎo)率，A為平壁的面積，ΔT為平壁兩表面的面積，δ為平壁的厚度。

從式（2）可見，單位時間內(nèi)的熱傳導(dǎo)量，在所選散熱器材料的前提下，主要影響因素為散熱器的面積。散熱器的面積越大，則散熱效果越好。因此，對于翅片散熱結(jié)構(gòu)，翅片的面積越大，翅片越多，厚度越小，則散熱效果越好。

2）對流

由于翅片散熱是無風(fēng)扇驅(qū)動的散熱過程，所以只涉及自然對流。在自然對流過程中，根據(jù)牛頓冷卻公式

式中，h為翅片表面的傳熱系數(shù)，通常在自然對流情況下，1＜h＜10。

翅片散熱方式對流效果的好壞一方面取決于散熱器散熱面積的大小，另一方面取決于散熱器的材料。對于高散熱系數(shù)的材料，效果更好。

3）輻射翅片表面的處理方式影響著輻射時的發(fā)射率，進而影響翅片的散熱效果。熱輻射時的換熱量

式中，ε為黑體的發(fā)射率，σ為波爾茲曼常量，T1為翅片溫度，T2為環(huán)境溫度。

傳導(dǎo)、對流和輻射均涉及散熱面積，而在LED散熱模塊上增加盡可能多的翅片，就是為了增大散熱面積，當(dāng)散熱面積足夠大時，LED的散熱效果就比較顯著。

總之，對于散熱翅片的設(shè)計，根據(jù)不同功率的LED的具體散熱需要，考慮翅片的總體結(jié)構(gòu)、形狀、厚度、高度、寬度、片間間隙等參數(shù)，以獲得一個最佳散熱效果。

4 其他散熱技術(shù)

當(dāng)前的LED車燈還有利用電風(fēng)扇和散熱片來實現(xiàn)散熱。由于風(fēng)扇在長時間使用過程后，容易因灰塵積累過多導(dǎo)致噪聲，因而對風(fēng)扇的質(zhì)量和可靠性要求較高，一般采用進口的散熱風(fēng)扇，但成本會增加很多。對于小功率的LED而言，由于其驅(qū)動電流較小，發(fā)熱量較少，因此，通常采用被動散熱的方式，比如在電路板上LED周圍的區(qū)域新增一些小孔，或在設(shè)計時適當(dāng)將LED的距離增加，在電路原理圖上新增溫度敏感電阻來調(diào)節(jié)電流大小等，這些散熱方式在不同類別的燈具上的運用，對實現(xiàn)LED的散熱具有重要意義。

［1］ 詹中勉.工程熱力學(xué)及傳熱學(xué)［M］.大連海事大學(xué)出版社，2001.

［2］ 周志敏，紀(jì)愛華.LED熱設(shè)計與工程應(yīng)用［M］.電子工業(yè)出版社，2012.

［3］ 賈 月，唐大偉.一種熱管散熱器對大功率LED散熱效果的研究［J］.中國科學(xué)院研究生學(xué)報，2012（09）：27－31.

［4］ 蔡初華，李志勇.解決高功率LED燈具散熱和成本.科技創(chuàng)新與運用，2013（04）：21－25.

［5］ Huang B J，Wu M S.Development of High－Performance solar LED lighting system［M］.Energy conversion and Management.2010：105－120.

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