車燈熱設計中固態照明精細化結構建模研究

孔祥瑞，李 茹，孟慶恩，尹麗偉，肖 洪

(1.河海大學機電工程學院，江蘇 常州 213022；2.常州星宇車燈股份有限公司，江蘇 常州 213022)

引言

近些年來，汽車工業發展迅猛，汽車照明日新月異，人們對車燈要求越來越高[1]。隨著固態照明產業的發展，LED及LD光源具備的優良性能，完美契合了車燈的各種功能需求。豐田公司在2007年發布了安裝 LED汽車前照燈的雷克薩斯 LS600h 型汽車，標志著 LED 汽車前照燈正式進入市場[2]。相關調研數據顯示，預計2020 年中國 LED 汽車照明市場規模有望突破425億元人民幣[3]，2018年國際汽車照明及光信號專家委員會第125屆全體成員會議重點討論了LED光源和模塊的近光燈需要達到的客觀性能要求，對大功率LED車燈的散熱性能提出了新的要求。 有關研究表明，大功率LED和LD的電光能量轉換效率約為10%～30%，仍有70%～90%的電能將轉化為熱能[4]。當熱量集中在尺寸很小的芯片內，熱流密度大，會使芯片溫度急劇升高，持續的高結溫會導致發光波長發生偏移，發光效率下降，使得LED的使用壽命縮短，穩定性降低[5-9]。另外，由于多數車型的前照燈安裝于發動機艙，所能利用的空間有限，且距離水箱、發動機和空調冷凝器等發熱設備較近，其工作環境溫度最高可達80 ℃[10]。因此，為保證LED前照燈能夠安全穩定的工作，車燈前期研發中散熱設計至關重要，而如何通過模擬仿真精確地獲得固態照明(SSL)光源的結溫數據就顯得尤為重要。

1 封裝結構對散熱性能的影響

1.1 常見的封裝結構

一般將電功率超過1 W的LED芯片稱為大功率型，為了保證器件能可靠安全的工作，需要考慮其散熱結構。常用的大功率LED芯片主要有正裝芯片和倒裝芯片(flip-chip，FC)。對于正裝結構主要分為垂直結構和平面結構，如圖1所示。

圖1 常見的SSL光源芯片結構示意圖Fig.1 Chip structures of SSL light source

垂直結構工藝相對簡單，電極位于芯片上下端面，基本無橫向流動的電流，容易獲得均勻的電流分布均勻，可以有效改善電流的擁堵現象，能夠得到更大的電流密度，以有效提高芯片的發光功率。平面結構LED 芯片的工藝復雜，正負電極都位于外延層的同一邊。對于正裝型芯片，由于藍寶石導熱率很低，發光區產生的熱量需要通過幾乎整個襯底厚度的距離才能傳導至芯片底部，這導致芯片熱阻很大。倒裝型芯片(flip-chip，FC)是常用的大功率LED芯片，相對于傳統的結構來說具有更好的散熱性能。氮化鎵基藍光LD的芯片結構一般是端面發光，芯片為長條形， 發出的光一般為帶狀，芯片熱量通過下方固定芯片的基板導出，而基板的材質通常為高導熱率的銅。

1.2 散熱通道

目前，車燈用LED封裝內通常安裝多顆芯片在陶瓷基板上，假設各芯片間無熱耦合效應，取其中一顆分析其散熱通道，當點亮LED芯片時，熱量從芯片區通過熱傳導傳遞至封裝器件外面主要有兩個途徑：第一個途徑是熱量向芯片的上方傳遞，依次通過電極、熒光粉層及硅膠或環氧樹脂傳導至器件外；另一個途徑是熱量向芯片的下方傳遞，依次通過硅襯底、固晶焊接層及封裝基板傳導至空氣中或者是與引線框架連接的散熱系統中。由Mehmet等[11]的研究可知，由于硅膠或者環氧樹脂等封裝材料的導熱性能極差，熱量向芯片上方傳遞時的熱阻要遠遠大于向芯片下方傳遞時的熱阻，第一個途徑上的散熱量可忽略不計。

第二個途徑的熱量依次傳遞到PCB板、導熱膠和散熱器，主要通過PCB板和散熱器與燈腔內環境發生熱輻射與熱對流，此時燈腔的零部件如：反射鏡、光導、內燈罩、支架、燈罩及殼體會迅速升溫。各種零部件之間互相接觸發生熱傳導，燈內空氣因受熱不均和重力作用而發生熱對流。通過分析了車燈用LED及LD的封裝級結構，可以發現封裝內部結構對其散熱性能的影響，尤其是固晶層(Die Attach，DA)和基板(Substrate)對散熱性能影響較為明顯。

2 CX53型前照燈及光源精細化建模

2.1 CX53型前照燈及模組介紹

對汽車前照燈進行溫度場和流場分析的前提是，先利用三維繪圖設計軟件對其進行設計及三維建模，建立其分析模型。運用車燈行業常用的設計制圖軟件設計繪制的CX53型前照燈三維模型如圖2所示。

圖2 CX53型遠近光一體LED前照燈Fig.2 Integrated LED headlamp of CX53

該前照燈為遠近光一體LED前照燈，其LED模塊由散熱器、PCB板、內燈罩、擋光片、反射鏡、支架和透鏡組成，其近光為一顆三芯片LED，遠光為一顆五芯片LED，其電功率分別為8.9 W和15.2 W， 額定功率下結點到焊點的真實熱阻分別為1.30 K/W和0.9 K/W。

2.2 精細化結構建模LED

在傳統的車燈熱分析中將LED與PCB板簡化成與實際尺寸相接近的長方體或正方體。而實際LED封裝內部結構較為復雜，根據芯片和封裝的實際結構，利用三維軟件對兩顆車燈用LED進行精細化結構建模，保留封裝、熒光層、芯片層、引線框層及封裝殼體結構進行實體建模，如圖3所示；對引線框上下覆銅層及固晶層在ANSYS Fluent中進行殼單元設置，各層對應有不同的導熱系數。

圖3 LED內部結構示意圖Fig.3 Inner structure of LED

3 CX53型前照燈有限元熱分析

車燈熱分析的目的是計算模型內各個零部件的溫度分布和熱梯度、熱流密度等物理量，熱載荷包括體熱源、熱流量、熱對流、熱輻射和外部溫度場等。本文使用的仿真軟件Fluent基于計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)，以計算機為工具，應用合適的算法求解一個空間離散區域內各節點的物理方程，獲得相應的物理參數。

3.1 有限元分析前處理

車燈有限元分析能否成功進行的前提是獲得質量合格的網格，同時需要考慮網格獨立性的問題，即網格數目的增加不會造成分析結果的變化，一般采取相對折中的方法[12,13]。CX53型前照燈利用通用前處理軟件ANSA完成車燈零部件網格劃分，對LED及封裝內部進行加密，得到了符合要求的網格質量，網格總數約為256萬，其示意圖如圖4所示。

圖4 整燈前視圖(左)，精細化建模LED局部網格 (右)Fig.4 Front view of headlamp(left), the local grid of LED fine structure modeling

3.2 CX53型前照燈穩態熱分析

將ANSA軟件劃分出的質量合格的網格導入到Fluent中，進行模擬所需要的設置。選擇合適的車燈分析模型和進行正確的材料物質參數設置也格外重要[12,13]。對于精細化建模LED，保留封裝內部的熒光層、芯片層、襯底、固晶層和引線框層，其中引線框層上下表面為覆銅層，中間為基板材料，其中上下覆銅層設置為殼單元，基板為實體模型。對于PCB選用鋁基板PCB，上表面覆銅，將其設置為殼單元。對LED內部各部件的材料設置明細如表1所示。

表1 封裝材料的物性參數

另外，對于所有零部件在邊界條件中設置合適的輻射率和漫反射系數。本文選用的遠近光一體LED模塊，近光為一顆三芯片LED，遠光為一顆五芯片LED，其電功率分別為8.9 W和15.2 W，光電轉換效率為30%，則其熱功率分別為6.23 W和10.64 W。將兩顆LED內部芯片的芯片層設置體熱源，近光LED芯片層熱流密度為1.02×1011W/m2；近光LED芯片層熱流密度為1.06×1011W/m2。工作環境溫度為50 ℃，將燈罩外表面和殼體外表面的對流換熱系數設為8 W·m-2·K-1。

3.3 穩態熱分析結果

在求解器設置中，將重力方向設置為沿Z軸的負方向；燈腔內流體介質為空氣。達到穩態收斂后，對比分析LED模塊是否是精細化建模的整燈仿真結果，其LED溫度場的仿真結果如圖5所示。

圖5 精細化建模(左)和簡化模型(右)的LED模塊溫度場分布云圖Fig.5 Temperature cloud map of LED module of the fine structure modeling(left) and the simple model(right)

由圖5可知，根據CX53型前照燈整燈模擬結果所得到的LED模塊溫度場的變化云圖，精細化建模LED模擬的最高溫度為141.0 ℃，出現在遠光LED正中間的熒光層處。對于未精細化建模的模型，即傳統的耦合面為面熱源簡化模型，模擬最高溫度為130.2 ℃，出現在PCB與LED耦合面處，根據結溫計算公式可求得LED結溫最高為139.1 ℃，稍低于精細化建模LED模擬最高溫度1.9 ℃。對于溫度分布云圖，溫度條顏色由藍色到紅色，溫度逐漸升高，兩種模型LED模塊溫度分布趨勢基本一致，但是對于簡化模型LED模塊，最高溫度可視為LED焊腳溫度為130.2 ℃，低于精細化模型的LED結溫141.0 ℃；且兩種模塊最低溫度都出現在透鏡上，分別64.6 ℃和67.8 ℃。在相同的工作條件下，兩種不同建模方式LED模塊模擬得到的溫度會存在一定的差異。

對于精細化建模LED模塊，車燈其他主要部件的模擬溫度云圖如圖6所示。車燈中各部件顏色在藍色和紅色之間變化，顏色由藍色逐漸變為紅色，代表著其溫度在逐漸升高?？芍瑢τ贚ED附近的零部件，內燈罩最高溫度為120.0 ℃，反射鏡最高溫度為118.7 ℃，內燈罩和反射鏡溫度最高區域均是與散熱器表面相接觸的地方。散熱器溫度較高其導熱性能遠高于內燈罩和反射鏡，熱量易聚集在接觸面，這也和車燈在實際生活中的使用情況相吻合。

圖6 各零部件溫度分布云圖Fig.6 Temperature cloud map of various components

車燈熱設計方案的可行性是通過比較零部件的最高溫度是否超過材料的最大承受溫度來判斷的，對比分析了精細化建模LED模塊和簡化模型LED模塊兩種模型的整燈熱分析結果，溫度云圖顯示其溫度分布趨勢和梯度基本一致，各零部件上最高溫度點的位置也基本一致，但部分零部件最高溫度存在著溫差。表2是兩種模型部分零部件模擬的最大溫度和耐熱極限的匯總。

表2 部分零件模擬最高溫度和耐溫極限對比

通過對比兩種不同建模方式LED模塊的溫度云圖，發現精細化建模LED模塊遠近光的結溫都高于簡化模型LED模塊通過計算得到的結溫；對于燈罩、殼體和飾圈，精細化建模LED模塊最高溫度都低于簡化模型LED模塊的最高溫度；其余部件溫差基本都在1 ℃以內。另外，發現LED正前方的內燈罩溫度分布出現差異，如圖7所示。內燈罩溫度最高區域出現在與散熱器接觸的地方，兩種模型溫度分別為120. 1 ℃和119.3 ℃，溫差為0.8 ℃；但是在內燈罩貼近LED的區域，發現精細化建模LED模型的溫度為115.6 ℃，簡化建模LED模型的溫度為109.2 ℃，溫差為6.4 ℃。通過分析CX53前照燈的結構，發現內燈罩則離LED光源很近；精細化建模LED模塊的內燈罩距離LED上表面的最小距離只有0.4 mm，而簡化模型LED模塊內燈罩距離LED面熱源的最小距離為0.8 mm。該處溫度出現較大差異，部分原因在于精細化建模LED應用到車熱分析中更加具體地反映熱源的分布。

圖7 精細化建模(左)與簡化模型(右)的LED燈罩溫度云圖Fig.7 Temperature cloud map of LED lamp shade of the fine structure modeling(left) and the simple model(right)

因此，將根據穩態模擬得到的結果，通過實際點燈測試，對LED溫度進行測試，同時對車燈的主要部件燈罩、殼體、飾圈、LED等的模擬高溫點和內燈罩距離LED最近處進行溫度測量，根據實際測溫的結果反過來驗證軟件模擬的準確性及可靠性。

4 CX53型前照燈有限元熱分溫度測試實驗

4.1 測溫實驗方法及器材

本次實驗主要采用熱電偶進行測量，根據穩態模擬結果，利用熱電偶對車燈內部主要部件的高溫點進行實際測試。主要測試樣件及設備有：CX53型前照燈實物樣件(圖8)、熱電偶、AB膠、電烙鐵、鋁箔紙、數據采集器、高溫烘箱等。

圖8 CX53型前照燈實物樣件Fig.8 The CX53 headlamp samples

4.2 溫度測試點的選擇原則及固定方法

針對有涂層的零件，用鉆頭從涂層反面開孔，不可鉆穿有涂層面破壞涂層，用耐高溫膠將熱電偶引線固定在零件表面。針對沒有涂層的零件，用電烙鐵將熱電偶測試端焊接到零件表面，用耐高溫膠帶將熱電偶引線粘接固定在零件表面。針對LED及PCB板，PCB 板因為材料原因無法用電烙鐵或鉆頭開孔，一般直接將熱電偶的探頭貼在LED的引腳位置進行測試。

若零件難于用電烙鐵固定，或需考察涂層的溫度。例如：零件材料為金屬，需考察漆層或鋁層表面溫度等，此時需將測試端直接貼在零件表面，用耐高溫膠將熱電偶引線固定在零件表面。本次CX53型前照燈9個溫度測試點。

4.3 溫度測試實驗過程

將完成布點的CX53型前照燈置于工裝上，然后放入高溫烘箱內，將高溫烘箱溫度調至50 ℃，接上電源，當烘箱溫度達到50 ℃并穩定時，將CX53型前照燈接通直流電源，點亮車燈。車燈正常工作約2 h后，燈內各部件的溫度將達到穩態平衡，利用數據采集器及測溫儀測量出燈罩、殼體等部件溫度測試點的溫度。

圖9 溫度測試點示例Fig.9 Examples of temperature test points

4.4 模擬與實驗測試結果分析與對比

本次的溫度測試過程中，使用的K型熱電偶測量誤差為±2.5 ℃，因此，實驗中所測得的溫度均為經過數次實驗后所得的平均值；另外，對于溫度測試點的模擬和實測溫度，將精細化建模LED模擬溫度與實際測試溫度的差值定義為，將精細化建模LED模擬溫度與實際測試溫度的差值定義為。在點燈穩定后，讀取并記錄數據，結果如表3所示。

表3 模擬與實際測試溫度結果

通過穩態模擬得到的最高溫度與實際點燈測試所測得的溫度均未超過各部件所用材料的耐溫極限值。通過對比精細化建模LED和簡化模型LED模擬得到的溫度數據，發現精細化建模LED可以更加準確模擬出車燈正常工作時燈腔內零部件的實際溫度，精細化建模LED是提高車燈熱分析精度的一個有效手段。另外，模擬結果與實測結果存在一定的誤差，原因主要有以下兩個方面：

1)對CX53型前照燈進行穩態模擬分析前，需對車燈模型進行簡化處理，因此，簡化后的CX53型前照燈三維模型與實際的車燈樣件存在一定的偏差；在計算過程中來自于理論的假設材料是連續介質假設、材料均勻性假設、模型的簡化以及網格的劃分，計算的誤差無法避免。

2)實際的測量設備的精度也是模擬與測量有一定差別，在對CX53型前照燈進行實際點燈測試時，熱電偶本身的測量精度、數據采集器和測溫儀等儀器自身存在的系統誤差、部件實際溫度測試點與模擬最高溫度點之間的位置誤差等，都會對溫度的實際測量值造成一定的誤差。

綜上，通過對穩態模擬結果與實測結果的對比分析，以及誤差原因的分析均表明精細化建模LED應用于汽車前照燈熱設計能有效提高熱量分析的精度。

5 結論

熱設計在LED車燈前期研發過程中具有重要作用。本文分析了LED封裝結構對其散熱性能的影響，通過對LED封裝內部精細化結構建模并應用到汽車前照燈熱分析的過程，對計算的結果進行分析和實驗驗證。對比分析模擬結果與實際測試表明，精細化建模LED可以更加準確模擬出車燈正常工作時燈腔內零部件的實際溫度。