導熱脂對LED前照燈散熱影響及熱阻研究

蔣敏，昌進

(常州星宇車燈股份有限公司, 江蘇常州 213022)

0 引言

隨著車載LED前照燈應用普遍，它的熱管理受到更廣泛的重視。有關研究[1-2]表明，大功率的LED模組結溫的升高會導致發光波長漂移、光效下降、熒光粉加速老化以及使用壽命縮短等一系列問題，因此LED前照燈散熱是車燈設計過程的重要環節。按照散熱方式可分為主動散熱和被動散熱，主動散熱包括風冷散熱、熱管散熱等；被動散熱包括散熱器、導熱脂、石墨等。目前應用較廣泛的主要有兩種：第一種是只有散熱器被動散熱，第二種是散熱器與風扇主動散熱相結合。對于LED車燈，良好的熱管理取決于LED熱阻、LED貼片技術、線路板散熱性能、導熱脂性能、散熱器設計、風扇性能等。

線路板與散熱器之間的界面熱阻較大，因為兩者界面的表面在微觀上粗糙不平，即使表面接觸壓力高達10 MPa，其實際接觸面積僅占1%～2%，其余部分充滿空氣孔隙，不利于熱量傳遞[3-4]。因此更優的散熱器連接技術對熱量管理起著關鍵性作用。選擇合適的導熱脂，能有效降低系統熱阻，并能減少LED前照燈散熱器的質量。導熱脂種類較多，按是否有黏性可分為導熱膠和導熱硅脂。導熱膠有黏性，黏連性較好，導熱系數較低；導熱硅脂無黏連性，導熱系數較高。一般來說，導熱硅脂的導熱性能更好。

1 仿真模擬

1.1 仿真模型

文中以某前照燈LED近光模組為例，先對模型上不影響計算結果的微小結構及部件進行幾何清理，然后利用ANSYS ICEM對燈具進行網格劃分。

1.2 仿真結果

利用ANSYS Fluent對劃分好網格的模型進行仿真模擬，對導熱脂設置不同的熱系數及厚度，模擬溫度分布如圖1所示。

模擬得出LED的焊點溫度Ts，再通過數學公式計算LED結溫。其計算公式：

Tj=Ts+Pth·Rthjs

(1)

式中：Ts為LED焊點的溫度；Pth為功率；Rthjs是指結點到PCB的熱阻。

表1是不同導熱系數的LED模擬溫度，結果表明：仿真模擬中導熱脂的導熱系數及厚度對LED結溫影響較小。

LED型號導熱系數/(W·m-1·K-1)導熱脂厚度/μmLED焊點溫度Ts/℃LED結溫/℃Altilon PNP3.110068881.910069891.9200719131006888

2 實驗測試

2.1 測試條件

實驗室環境溫度為25 ℃，在LED模組上布置K型熱電偶傳感器，如圖2所示。

2.2 測試結果

在同一個LED芯片和散熱器之間，用絲網刷涂覆不同型號的導熱脂，并且布置熱電偶測試溫度。其中絲網厚度為100 μm，測試結果如表2所示。

表2 不同導熱系數的LED溫度測試結果

結果表明：導熱脂厚度越厚，導熱效果越差，LED結溫越高。

3 熱阻測試

將LED近光模組內部結構簡化，簡化模型如圖3所示。

LED結溫計算公式：

Tj=Ta+Pthermal·Rthja

(2)

Rthja=Rthjb+Rthbh+Rthha

(3)

式中：Rthja為結點到環境的熱阻；Rthjb為焊點到線路板的熱阻；Rthbh為線路板到散熱器的熱阻；Rthha為散熱器到環境的熱阻。通過環境溫度、系統熱阻及LED功率，可以直接計算出LED結溫。

根據JESD51標準，采用T3ster儀器測量，通過結構函數得出系統熱阻及上述分段熱阻，可有效檢測熱失效位置，比如芯片引腳焊接失效或貼片不良、線路板、LED老化等問題，能有效評估系統散熱性能，并且直接測量出LED結溫。

在同一LED模組上分別涂覆G777、3466、XG 3種導熱脂，利用T3ster儀器測試系統熱阻。測試結果如圖5—圖7所示。表3為不同導熱系數的LED溫度測試結果。

LED型號導熱脂型號導熱系數/(W·m-1·K-1)導熱脂厚度/μm系統熱阻/(K·W-1)LED結溫/℃Altilon PNPG7773.11003.4828834661.9約200(手工涂覆)4.563108XG31003.68392

從表3可以看出：導熱脂對LED模組系統熱阻影響較大，厚度較厚且導熱系數較低的導熱脂，系統熱阻較高，LED結溫較高。

4 結果分析

作者從軟件模擬仿真、實驗間接測試、T3ster直接測量3個方面研究了導熱脂對LED前照燈散熱的影響。表4是仿真模擬、實驗測試及T3ster結果對比表。

表4 仿真模擬、實驗測試及T3ster結果對比表 ℃

一般來說，導熱系數高的導熱脂，系統熱阻值低，散熱效果好，但導熱性能不僅與導熱系數有關，與導熱脂的厚度以及散熱器的吸附性都相關。厚度較薄，填滿空氣間隙即可，吸附性較好的導熱脂導熱效果更好。

5 結語

文中主要研究導熱脂對LED前照燈散熱的影響，從CAE仿真模擬、實驗測試對比，以及散熱系統熱阻測試3個方面進行分析。建立了某前照燈LED近光燈模組的有限元模型，通過仿真軟件ANSYS Fluent進行模擬分析，并且將模擬溫度值與測試值進行對比，通過T3ster儀器直接測量LED的結溫及系統熱阻。得出了仿真計算導熱脂的導熱系數對系統散熱影響較小，實際應用測試導熱脂對LED模組散熱有一定影響。總的來說，導熱脂的導熱系數越高、涂覆厚度越薄、吸附性越好，導熱性能越好。文中的研究結果對LED燈具熱量管理提供一定的參考。