汽車燈具散熱設(shè)計是LED光源與傳統(tǒng)光源不同之處的主題之一

摘要：在著手進行頭燈設(shè)計前首先要考慮到法規(guī)中的有關(guān)條款，其中包括對光型亮度、環(huán)境測試和亮度衰減的要求。如法規(guī)GB4785-2007明確提出：對不屬于用燈絲燈泡照明的全部設(shè)備，在亮燈1min、30min時發(fā)光強度的測量要滿足附表最大、最小值要求。其根源在于LED自身特性所決定,LED結(jié)溫愈高光輸出愈低。散熱設(shè)計是LED光源與傳統(tǒng)光源不同之處的主題之一。

在傳統(tǒng)的頭燈設(shè)計上，燈泡本身的光子釋放來自加熱鎢燈絲，不會因自身發(fā)出的熱或來自引擎室的高溫而影響亮度輸出，散熱重點落在整個頭燈腔體的均溫設(shè)計而非燈泡的散熱，但在頭燈材料的選擇上則需考慮是否可承受來自燈泡的高溫(頭燈腔體約承受100℃的溫度，霧燈腔內(nèi)溫度可高至300℃)，所以在此選用的材料一般都以耐熱材為主。

對于LED而言，雖然LED的整體功率較小，輻射熱量較燈絲燈泡光源小很多，并且隨著LED技術(shù)發(fā)展現(xiàn)已可實現(xiàn)約50%的功率轉(zhuǎn)換為光，但其余50%的功率則仍會轉(zhuǎn)化成熱量?？紤]到LED芯片尺寸較?。ê撩琢考墸?，如果這部分熱量積聚在LED內(nèi)部，LED芯片的熱密度會很高，而其光子釋放來自于PN接口的能階跳動，與溫度呈現(xiàn)負相關(guān)，溫度越高則光源輸出越弱。這正是大功率LED散熱必須解決的關(guān)鍵問題之所在。

目前業(yè)內(nèi)使用的LED類型很多，其光學(xué)和熱學(xué)特性差異較大；即使是同品牌、類型相近的LED，其光學(xué)和熱學(xué)特性差異仍然很明顯。對于不同類型的LED，考慮到其不同的芯片技術(shù)和光學(xué)特性，其光衰特性差異很明顯，需要在選用LED時重點考慮其本身的特性差異。另外，PCB差異對LED散熱設(shè)計也有影響。目前常用PCB通常有4種，按材質(zhì)區(qū)分為3類：鋁基板線路板MCPCB、FR4板、柔性線路板FPC。線路板設(shè)計要綜合考慮成本、結(jié)構(gòu)可行性和散熱特性，因此需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計初期提供有一定參考意義的散熱要素。其中包括：線路板材料、線路板面積、散熱器材料、散熱器面積。

LED熱量分析工作的主體是LED，是為了保證LED有穩(wěn)定的光輸出，滿足配光特性要求，并且滿足PN結(jié)結(jié)點溫度的限制，以滿足壽命要求；其間涉及到與它工作相關(guān)的PCB和PCB上元器件的熱量問題。在LED燈具設(shè)計前期，涉及多個部門的工作，配光設(shè)計、電子電路設(shè)計、熱量分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計，這些部門的工作在前期需要相互協(xié)作。

當PCB數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)全部確定之后,LED燈體的電腦輔助評估—CAE將完成。第一，對結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),PCB及元器件進行簡化預(yù)處理，再導(dǎo)入到分析軟件中，劃分網(wǎng)格并構(gòu)建數(shù)據(jù)模型。在進行LED數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化時，并沒有反映出LED內(nèi)部電路設(shè)計，散熱設(shè)計和封裝等方面的區(qū)別，而是按照LED的實際形狀進行設(shè)計，簡化為1個方柱或圓柱實體，大小與LED形狀尺寸一致。

數(shù)據(jù)模型完成后，需要在分析軟件中完成對所有元件賦材料屬性、設(shè)定邊界條件，然后求解穩(wěn)定狀態(tài)下的結(jié)果；也可進行1min和30min的瞬態(tài)結(jié)果模擬，通過1min和30min的溫度結(jié)果，結(jié)合LED的光輸出—溫度特性曲線，了解該光衰下配光能否滿足要求。在分析軟件中，有對應(yīng)的PCB和LED等元件的材料屬性可供選擇，并且有參數(shù)可以編輯。對PCB可以編輯電介質(zhì)層和導(dǎo)電層的材料屬性；對LED可以編輯熱阻大小，LED內(nèi)部熱設(shè)計特性的優(yōu)劣就體現(xiàn)在該參數(shù)上。設(shè)定邊界條件涉及到元器件的功率大小、環(huán)境溫度以及邊界對流換熱系數(shù)等參數(shù)。在分析軟件中的所有設(shè)置，需要盡可能地與實際相同，盡可能地降低模擬與實際情況的差異。

在現(xiàn)實中,LED所產(chǎn)生的熱量是如何散送到外界環(huán)境中去，這和其封裝結(jié)構(gòu)材料有著密切的關(guān)系，這就涉及到所用散熱材料及有關(guān)外型問題。就目前封裝技術(shù)而言，最多可以使LED在185°C下運行，但是通常由于封裝膠材等原因可以使運行溫度達到125°C左右，除光源輸出效率外，還需考慮封裝膠材質(zhì)量問題（樹脂類材料存在高溫老化）。

（封裝與散熱熱阻關(guān)系）

引擎室的溫度在燈具附近最高可到85℃，觀察相關(guān)熱阻，R_Junction-Slug、R_Slug-Board都決定于封裝體，對設(shè)計者而言只能針對R_Board-Ambient努力，其中包括如何將封裝體固定于散熱基板上、散熱結(jié)構(gòu)外型設(shè)計、主被動散熱考慮與外部環(huán)境等條件。因此在此處應(yīng)該進行相關(guān)模擬設(shè)計，取得燈具在引擎室內(nèi)的流場與溫度條件后再考慮所需的散熱模式，若選用被散動熱得需要較大的散熱空間，對引擎而言是不小的負擔，若選用主動式散熱，雖然所需散熱環(huán)境較小，但因為增加了風(fēng)扇等可動件，反而需考慮此可動件可否通過車燈上的相關(guān)法規(guī)，包括震動、粉塵、腐蝕與濕氣等嚴苛環(huán)境。

LED技術(shù)仍在快速發(fā)展，持續(xù)更新，光學(xué)與熱學(xué)性能設(shè)計會越來越完善，為它在汽車車燈中的運用提供了較好的支持。作為LED應(yīng)用者有必要對其應(yīng)用數(shù)據(jù)庫進行實時更新，并不斷累積經(jīng)驗以便對前期設(shè)計起到良好借鑒作用；在軟件模擬中參數(shù)設(shè)置方面，同樣要不斷地累積，后續(xù)，盡量縮小與現(xiàn)實之間的差距，從而為LED汽車燈具提供更優(yōu)質(zhì)的熱量設(shè)計方案。