高导热铝基板在汽车领域的应用

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众所周知，半导体材料在工作时受环境温度影响较大。大功率 LED 的光电转换效率更低， 工作过程中只有 10%～25%的电能转换成 光能，其余的几乎都转换成热能。加之汽车前大灯安装在炙热的发动 机舱内，高温水箱、引擎、排气系统所产生的热将 led 前大灯置于 严酷的环境中。传统车灯灯泡所产生的热远高于 LED，但灯泡输出的 亮度不会因为热而变化，其热设计的重点是壳体内的均温设计。而 LED 的光输出却会因为自身的热或来自发动机舱的高温而影响本身 PN 结温稳定， LED 光通量 Ф 和波长等重要参数受到 PN 结温的直接 V 影响，这种不良的温度循环将导致发光效率和寿命急剧下降。因此散 热成为 LED 作为光源设计的重要课题。 1、汽车前大灯的散热技术 1.1 被动散热与主动散热 通常的散热设计中，焊装大功率 LED 的电路板被紧紧固定在散 热器上。 LED 工作时所产生的热量通过传导方式经由电路板被传导到 热传导率较好的铝质散热器上。 铝质散热器的翼片与空气大面积接触 将热散发开来。为了有效地减小散热器和电路板之间的热阻，其间填

小强铝基板制作 充了导热介质。选用的散热器其翼片形状和面积是可以满足 LED 大 灯散热方案的设计。这种散热方式我们称之为被动散热。 主动散热常用液冷、热管、风冷等方式。由于液冷使用的液体必 须在泵的带动下强制循环带走散热器的热量， 热管则依靠高导热性能 的传热元件在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量， 二者 都不适合车灯内使用。风冷散热具有价格较低、安装简单等优点最为 常用。针对被动散热方式存在的散热器中心区域温度相对集中的情 况，加装风扇强制对流后(见图 1)，对缓解散热器温度不均匀有明显 效果。 1.2 LED 散热通道设计
图 1：加装风扇后强制对流

小强铝基板制作 通常 LED 被焊在双面敷铜层的印制板(PCB)上，LED 的底 面与 PCB 的敷铜面焊在一起，为提高散热效率，以较大的敷铜层作 散热面。这是一种最简单的散热结构。 本文研究的汽车前大灯用 LED 是目前 OSRAM 公司最大功率的一 种 LEUMD1W4；管芯散热设计选用了一种更利于散热的 LE3S 封装。 这种封装的特点是，以面积较大的铜合金散热垫为基座，管芯固定在 基座中央。同时将 LED 基座与铝基板接触区域的绝缘介质剥离，使 铜合金基座与铝基板直接接触。基座上的热直接传导至 LED 的外部。 这种内部结构去处了管芯和基座之间的介质减少了热阻， 更直接地将 管芯的结温导出(见图 2a)。
图 2 ：汽车大灯用 LED、等效热阻散热路径图
本文研究的 LED 汽车前大灯主要散热路径是： 管芯→ 铜合金 基板→ 铝基板→ 散热器或机壳→ 环境空气，(见图 2b)。若 LED 的结温 为 TJ， 环境空气的温度为 TA， 散热垫底部的温度为 Tc(TJ>Tc>TA)， 在热传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。管芯 传导到散热垫底面的热阻为 RJC(LED 的热阻)、散热垫传导到 PCB 面层敷铜层的热阻为 RCB、 PCB 传导到环境空气的热阻为 RBA， 则从

小强铝基板制作 管芯的结温 TJ 传导到空气 TA 的总热阻 RJA， RJA 与各热阻关系为： RJA=RJC+RCB+RBA，铜合金基板和铝基板导热性能接近且热阻小， 其导热性能就好，即散热性能也越好[2]。该散热结构的总热阻比常 规结构减少近 26%。 2、车灯环境的系统设计 由于现阶段的 LED 的输出光通量低，仅汽车近光灯就需要 1000lm 以上。考虑到汽车前大灯的配光要求以及电学、光学参数的 稳定性，LED 应用于汽车前大灯常需要集几颗甚至几十颗 LED 元件 于一块模组中，才能满足车灯法规所需的要求。目前，我们针对 O2star[1]和 X2lamp 产品的类似封装进行配光设计。其中 OSTAR4chip 车灯专用的 LEUMD1W4[3]单只 LED 输出光通量大于 350lm，阵列 3 只这种 LED 即可满足车灯 1000lm 的基本要求。 (1)扩大散热面积提高传导效率。 LED 汽车前大灯近光单元设 在 计中， 颗大功率 LED 阵列在铝基板上。 3 这种紧密排列的大功率 LED 热量的高度集中和散热难度可想而知。 试验样件的做法是铝基板与散 热器紧密贴合固定。 二者之间的填充了性价比较高且使用简单的导热 硅脂，在整个散热系统中，硅脂层其实是散热关键之所在。目前主流 导热硅脂的导热系数均大于 1W/m·K，优质的可达到 6W/m·K 以上， 试验选择了性价比较高导热率达到 4。 4W/m·K 的 TG2244 导热硅脂。

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图 3：风冷和外置散热
(2)强制对流提供与外界空气热交换。在散热片的背面加装风扇 促使强制空气流动。风扇加速了散热片的热交换的同时，流动的空气 也直接从 PCB 板上带走了部分热量。由于灯体的狭小且密封，与外 界的空气对流几乎不可能。图 3a 所示风冷结构中风扇的强制对流可 以缓解散热器中心区域与周围环境的温度不均匀， 使灯体内部和灯体 外壳的温度尽量接近。 有助于将内部的热通过外壳和外置散热器传导 出去。 (3)散热器部分外置。根据发动机舱内的分布及灯体安装的空间 大小，将灯体散热器设计为内置和外置二个部分，如图 3b 所示。外 置散热器设计在灯壳的上缘。内置 LED 产生的热由内置散热器传导 到外置的散热片上， 再通过对流散热。 考虑到灯光通常在行驶时开启， 发动机舱受到强对流风冷的作用，温度相对较低。加之车灯外壳上缘 恰好暴露在车前盖的缝隙处， 车辆行驶时车盖缝隙导入的气流流经外

小强铝基板制作 置散热片的翼片，外置散热器受到空气的风冷。外置散热器对灯内的 降温发挥了很好散热作用。 3、试验方法和数据 3.1 试验设置和设备 根据理论设计、数据仿真，制作了试验模型和 LED 前大灯工作 样件。样件制作要求尽量接近目标产品，以求研究成果更快更好地转 换为产品。灯体内分别安装了以 LED 为光源的远光灯、近光灯以及 转向灯、位置灯。测试观察的重点是灯体内部温度对光衰的影响。 主要测试设备为远方光电信息有限公司的 YF1000 光色电综合 分析系统、车灯配光自动测试系统以及多点温度检测仪等专用设备。 测试点分别是：车灯照度、光型、LED 光源温度、PCB 温度、散热器 温度以及灯腔不同位置的温度梯度[4]。设备具有自动记录和数据预 置功能，以验证散热与光衰的关系。
图 4：散热效果不同对光衰的影响