汽車室內(nèi)LED燈的散熱分析技術(shù)

汽車的內(nèi)、外使用許多照明元件，最近幾年汽車的照明元件光源也掀起LED化熱潮，例如汽車的大燈與尾燈已經(jīng)採(cǎi)用LED光源。雖然尾燈使用低功率LED，不過市場(chǎng)很早就出現(xiàn)LED尾燈製品，緊接著車用照明的LED化浪潮也開始襲捲車內(nèi)燈，一般認(rèn)為不久將來車內(nèi)燈、地圖燈、儀錶板、指示器、警告器，等車用照明光源勢(shì)必全面LED化。

LED照明的課題主要是發(fā)光部的溫升，極易造成光束減少、色溫變化、短壽命化等性能降低現(xiàn)象，為防止這些現(xiàn)象即使車用室內(nèi)燈，也要求一般LED照明同等級(jí)的效果性冷卻。傳統(tǒng)LED照明使用自然空冷時(shí)，大多使用散熱鰭片等低價(jià)元件，然而設(shè)計(jì)上必須考慮的變數(shù)，例如LED的發(fā)熱量、模組的設(shè)置方法、周圍溫度、設(shè)置空間非常多，因此試作次數(shù)有增加趨勢(shì)。

最近幾年為減少試作次數(shù)與實(shí)驗(yàn)花費(fèi)的工時(shí)，在設(shè)計(jì)的上游段階經(jīng)常利用熱流體模擬分析預(yù)測(cè)散熱效果，以往只被當(dāng)作補(bǔ)助性質(zhì)使用的熱流模擬分析，目前反而變成基本設(shè)計(jì)必要的支援工具。接著本文介紹車用LED室內(nèi)燈試作品的評(píng)鑑結(jié)果，同時(shí)透過與熱流模擬分析結(jié)果的比對(duì)，驗(yàn)證模擬分析的實(shí)用性。

散熱設(shè)計(jì)

照片1是車用LED地圖燈模組實(shí)際外觀，它分成3大部份，中央是使用傳統(tǒng)小燈泡的室內(nèi)燈，左右則採(cǎi)用LED光源構(gòu)成地圖燈，由于地圖燈的照射範(fàn)圍很狹窄，因此使用輸出功率很低的白光LED。雖然車用LED室內(nèi)燈發(fā)熱量比LED大燈與尾燈小，不過設(shè)置場(chǎng)地是車內(nèi)天花板狹窄空間，因此必須在天花板與車體之間僅有的空間進(jìn)行散熱。一般發(fā)熱量很大的LED直接裝設(shè)在散熱鰭片散熱，驅(qū)動(dòng)電路則設(shè)置在其它地方居多，LED車內(nèi)燈的場(chǎng)合，使用少數(shù)低輸出功率LED，因此LED可以直接裝設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路基板上。

圖1是LED地圖燈的模組結(jié)構(gòu)，它是由兼具固定支架功能的散熱鰭片、封裝LED的電路基板、附設(shè)鏡片的樹脂外罩構(gòu)成。本試作品使用2個(gè)接點(diǎn)溫度Tj最大值130℃的表面封裝型LED，表面封裝型LED小型、散熱性優(yōu)秀，適合當(dāng)作設(shè)置空間受限的室內(nèi)燈光源使用。

LED產(chǎn)生的熱幾乎都透過熱傳導(dǎo)，通過散熱鰭片內(nèi)部再?gòu)纳狯捚尫诺娇諝?，封裝LED的電路基板背面，設(shè)置厚1mm熱傳導(dǎo)膜片，最后再固定在鋁質(zhì)散熱鰭片。由于密閉空間內(nèi)散熱不充分，因此車用室內(nèi)LED燈體內(nèi)部的地圖燈背面設(shè)有開口部，從該開口部散熱鰭片與室內(nèi)燈外部空氣接觸進(jìn)行散熱。一般LED的紅外線放射量非常少，如圖2所示幾乎所有熱都是從發(fā)熱部通過固體內(nèi)部，再?gòu)纳狯捚尫诺娇諝?，為了抑制LED的接點(diǎn)溫度Tj，必須減少各構(gòu)成元件的熱阻抗，同時(shí)作散熱鰭片作最佳化設(shè)計(jì)。

本試作品的電路基板設(shè)有電阻等元件會(huì)發(fā)熱，電路基板再以樹脂罩蓋住，包含LED在內(nèi)的熱，必須效率性傳導(dǎo)至電路基板背面，電路基板使用FR4材質(zhì)。

LED的熱計(jì)算模型

LED的熱流模擬分析工具，使用加拿大AYA Heat Transfer Technologies公司開發(fā)的「ESC/TMG」，與美國(guó)Siemens PLM Software公司開發(fā)的3次元CAD工具「I-deas」。類似LED熱流模型簡(jiǎn)易形狀可以利用I-deas製作，復(fù)雜元件形狀的場(chǎng)合，必須將設(shè)計(jì)時(shí)使用的形狀資料輸入到I-deas，接著再組合變成熱計(jì)算模型。此外為短縮模擬分析的計(jì)算時(shí)間，因此將計(jì)算模型簡(jiǎn)略化製成計(jì)算網(wǎng)，再賦予計(jì)算條件就能夠立即執(zhí)行模擬分析。

模擬分析結(jié)果檢討后需要再模擬分析時(shí)，在I-deas上可以修正計(jì)算模型的絕大部份，因此一直到執(zhí)行為止作業(yè)工時(shí)非常少。進(jìn)行LED熱流模擬分析時(shí)，最重要是LED單體的熱計(jì)算模型製作，不過幾乎所有LED製品都不公開封裝內(nèi)部元件的尺寸，必要尺寸與各部位的形狀，必須利用顯微鏡與斷面照片觀察細(xì)部。製成的LED熱計(jì)算模型與實(shí)物一樣陽極上裝設(shè)LED晶片，熱除了從陰極傳遞到電路基板之外，還從陽極經(jīng)過封裝內(nèi)部傳遞到楊極。此處假設(shè)連接各部位的金線造成的熱移動(dòng)很微量，因此忽略不計(jì)。

LED內(nèi)部產(chǎn)生的熱傳遞到電路基板上的銅箔，再擴(kuò)散到模組整體。由于一般製作的LED熱計(jì)算模型都被簡(jiǎn)化，或是含有各種假設(shè)，因此必須驗(yàn)證模型單體。此外為提升熱流模擬分析的精度，包含車內(nèi)燈LED用在內(nèi)，大燈與尾燈用LED都必須進(jìn)行單體模型驗(yàn)證。本實(shí)驗(yàn)只設(shè)置1個(gè)LED，接著利用FR4與銅箔構(gòu)成的簡(jiǎn)易電路基板進(jìn)行驗(yàn)證，具體步驟首先使用熱電耦檢測(cè)LED封裝的溫度，接著再與模擬分析結(jié)果比較。一般LED構(gòu)成的照明機(jī)器進(jìn)行溫度檢測(cè)時(shí)，必須等待各部位溫度變成一定后才開始，因此環(huán)境溫度、負(fù)載電力的初期設(shè)定會(huì)產(chǎn)生微小變化，為進(jìn)行精確比較即使模擬分析，也是比照實(shí)際檢測(cè)時(shí)的環(huán)境溫度、負(fù)載電力。

檢測(cè)時(shí)的環(huán)境溫度為25.2℃、LED的負(fù)載電力為0.33W，在此條件下，LED封裝陰極側(cè)端部的溫度實(shí)測(cè)值為45.2℃，相較之下模擬分析的計(jì)算值為46.4℃，證實(shí)模型的計(jì)算精度沒有問題。LED廠商提供從陰極端部位一直到接點(diǎn)部位熱阻抗相關(guān)資料，研究人員根據(jù)這些數(shù)據(jù)與負(fù)載電力兩者相乘的積，立即獲得一直到接點(diǎn)部位為止27.1℃的溫升預(yù)測(cè)結(jié)果，它是加上陰極端部位溫度45.2℃之后預(yù)測(cè)Tj為72.3℃。

LED單元的驗(yàn)證

接著介紹車用地圖燈LED單元試作品的模擬分析，此處首先製作整體的熱計(jì)算模型?；宀糠菅u作固體模型，接著製作銅箔圖案與熱通孔內(nèi)面的鍍銅層厚度低于0.1mm的2次元圖，LED以外的阻抗器等熱源，則定義成設(shè)置面內(nèi)的既定熱源。LED單元的熱計(jì)算模型，微小角落與曲折部位除外，幾乎完全模擬實(shí)際試作品製作，基板與散熱鰭片之間插入熱傳導(dǎo)膜片，由于不考慮固定螺絲鎖緊壓力造成的壓縮，因此厚度變成無負(fù)載狀態(tài)時(shí)的1mm。

一般相異元件接觸部位都會(huì)有接觸熱阻抗，它也是造成溫昇的塬因之一，本模型的LED基板、基板–熱傳導(dǎo)膜片、熱傳導(dǎo)膜片–散熱鰭片叁處變成接觸面，叁處的密著性都比固體接觸高，因此模擬分析時(shí)不考慮接觸面的熱阻抗。

雖然試作品的電路基板表面涂佈阻抗劑，不過包含LED在內(nèi)電路的熱，透過銅箔圖案與熱通孔立即傳遞到基板背面，因此模擬分析同樣不列入考慮。如上述開發(fā)LED照明機(jī)器時(shí)，只作不含LED燈體的LED單體驗(yàn)證，LED產(chǎn)生的熱幾乎都是通過固體內(nèi)部，再?gòu)纳狯捚砻鎮(zhèn)鬟f到空氣，不會(huì)像其它光源局部性會(huì)使產(chǎn)生紅外線的單元本身或是燈體變熱，或是熱放射到外部等等。

許多情況LED燈體只是單純的樹脂容器，熱容量的大小隨著容積增加，其結(jié)果造成LED單元周圍的空氣上升溫度，因此LED單元裝設(shè)至燈體時(shí)的溫度，可以根據(jù)LED單元燈體的檢測(cè)值，或是計(jì)算值作某程度的推測(cè)。此外LED單元燈體的場(chǎng)合，可輕易設(shè)置熱電耦等溫度檢測(cè)感應(yīng)器，利用熱座標(biāo)進(jìn)行溫度檢測(cè)。

由于電路基板上產(chǎn)生的熱都傳遞到散熱鰭片，因此兩個(gè)LED的溫度不受其它熱源影響，幾乎是相同值。模擬分析使用上記驗(yàn)證LED單元時(shí)相同的條件，每個(gè)LED的負(fù)載電力為0.31W，假設(shè)其中的85%轉(zhuǎn)換變成熱，包含電阻在內(nèi)的總發(fā)熱量為1.29W、環(huán)境溫度為24.6℃。

圖3是去除樹脂外罩時(shí)，LED單元的溫度分佈結(jié)果，圖中分別記載計(jì)算值與實(shí)測(cè)值。由圖可知LED的陰極部位與基板背面溫度差大約3℃，熱透過熱通孔傳遞到背面，LED的陰極部位與距離最遠(yuǎn)的散熱鰭片的溫度差大約5℃，包含兩個(gè)LED在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的差低于1℃以下，證實(shí)不論是LED單元的計(jì)算模型或是LED單體模型，計(jì)算精度都沒有問題。

車內(nèi)燈整體的溫度評(píng)鑑

最后針對(duì)LED車內(nèi)燈進(jìn)行實(shí)測(cè)與模擬分析的評(píng)鑑與驗(yàn)證。為進(jìn)行LED車內(nèi)燈的溫度評(píng)鑑，首先製作照片2的試驗(yàn)設(shè)備。車內(nèi)燈嵌在車內(nèi)樹脂天花板內(nèi)，天花板內(nèi)還裝設(shè)類似車體屋頂?shù)臉渲澹虼薒ED產(chǎn)生的熱透過散熱鰭片，釋放到2片樹脂板之間的空間。試驗(yàn)必須以各種環(huán)境溫度進(jìn)行，因此上記試驗(yàn)設(shè)備的出射光朝下放置在恆溫槽內(nèi)。模擬分析必須準(zhǔn)備室內(nèi)燈試驗(yàn)設(shè)備的計(jì)算模型，該模型模擬右側(cè)地圖燈的點(diǎn)燈狀態(tài)，因此只將右側(cè)模型化。此外散熱時(shí)只利用散熱鰭片周圍，研究人員認(rèn)為減小試驗(yàn)設(shè)備的樹脂板尺寸，可以抑制計(jì)算上要求的網(wǎng)數(shù)，同時(shí)還省略試驗(yàn)設(shè)備的外框。

如上述LED室內(nèi)燈的試驗(yàn)是將試驗(yàn)設(shè)備設(shè)置在恆溫槽內(nèi)部進(jìn)行，此時(shí)為降低內(nèi)部攪拌用冷卻風(fēng)扇造成的循環(huán)氣流影響，試驗(yàn)設(shè)備整體以紙箱包覆檢測(cè)溫度，循環(huán)氣流通過試驗(yàn)設(shè)備下方的金屬網(wǎng)，可能會(huì)影響室內(nèi)燈的溫度。通常循環(huán)氣流的流速為3~5m/s，本試驗(yàn)以接近室內(nèi)進(jìn)行，冷卻風(fēng)扇造成的循環(huán)氣流影響比較小，模擬分析分別以2m/s、3m/s、4m/s一樣流速為條件進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果比較。

計(jì)算條件與實(shí)測(cè)條件一樣，假設(shè)每個(gè)LED1的0.30W負(fù)載電力的85%轉(zhuǎn)換成熱，包含電阻在內(nèi)的總發(fā)熱量為1.27W，環(huán)境溫度28.7℃。圖4是試驗(yàn)設(shè)備中央斷面的模樣，相較于陰極部位的溫度，相當(dāng)于循環(huán)流的一樣流速與散熱鰭片上方的空氣流速會(huì)有影響。此外必須利用模擬分析檢討攪拌用冷卻風(fēng)扇造成的循環(huán)氣流影響。

根據(jù)圖4模擬分析結(jié)果(速度向量圖)，研究人員調(diào)查試驗(yàn)設(shè)備中央斷面部位，散熱鰭片與樹脂板(相當(dāng)于車體的屋頂)挾持領(lǐng)域的空氣速度，以及LED陰極部位的溫度，環(huán)境溫度與上記實(shí)驗(yàn)相同都是28.7℃。

實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)的LED陰極部位溫度為57.1℃，一樣流速2m/s時(shí)LED陰極部位溫度的計(jì)算值為58.7℃，3m/s時(shí)54.3℃，依此推測(cè)檢測(cè)實(shí)測(cè)值 57.1℃時(shí)的循環(huán)空氣流速，在2~3m/s之間的可能性很高。根據(jù)模擬分析結(jié)果可知，散熱鰭片與樹脂板的流速只有一樣流速的3~4%，即使如此，它對(duì)LED陰極部位溫度的影響很大，由于室內(nèi)燈的樹脂燈體熱傳導(dǎo)率很低，因此溫度很高的領(lǐng)域，幾乎都集中在散熱鰭片周圍。

根據(jù)57.1℃的陰極部位溫度與0.30W得負(fù)載電力，推測(cè)LED的接點(diǎn)溫度Tj為81.7℃，因此接點(diǎn)溫度Tj最大許容值可以當(dāng)作Tjmax，若是130℃就有48.3℃的溫度，單純計(jì)算環(huán)境溫度一直到77.0℃還可以使用。此外在恆溫槽試驗(yàn)溫度有偏低檢測(cè)傾向，因此適當(dāng)?shù)慕狱c(diǎn)溫度推測(cè)時(shí)，必須慎重考慮此問題。

結(jié)語

本文已介紹了車用LED室內(nèi)燈試作品的熱流模擬分析技術(shù)。汽車的照明光源正在進(jìn)行LED化革命，然而要在車內(nèi)天花板狹窄空間進(jìn)行自然空冷散熱，以往只被當(dāng)作補(bǔ)助性質(zhì)使用的熱流模擬分析，目前反而變成基本設(shè)計(jì)必要的支援工具。因此一般認(rèn)為未來設(shè)計(jì)段階透過熱流模擬分析，根本性解決問題的手法勢(shì)必成為主流。