汽車(chē)室內LED燈的散熱分析技術(shù)

汽車(chē)的內、外使用許多照明元件，最近幾年汽車(chē)的照明元件光源也掀起LED化熱潮，例如汽車(chē)的大燈與尾燈已經(jīng)採用LED光源。雖然尾燈使用低功率LED，不過(guò)市場(chǎng)很早就出現LED尾燈製品，緊接著(zhù)車(chē)用照明的LED化浪潮也開(kāi)始襲捲車(chē)內燈，一般認為不久將來(lái)車(chē)內燈、地圖燈、儀錶板、指示器、警告器，等車(chē)用照明光源勢必全面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象，為防止這些現象即使車(chē)用室內燈，也要求一般LED照明同等級的效果性冷卻。傳統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，然而設計上必須考慮的變數，例如LED的發(fā)熱量、模組的設置方法、周?chē)鷾囟?、設置空間非常多，因此試作次數有增加趨勢。

最近幾年為減少試作次數與實(shí)驗花費的工時(shí)，在設計的上游段階經(jīng)常利用熱流體模擬分析預測散熱效果，以往只被當作補助性質(zhì)使用的熱流模擬分析，目前反而變成基本設計必要的支援工具。接著(zhù)本文介紹車(chē)用LED室內燈試作品的評鑑結果，同時(shí)透過(guò)與熱流模擬分析結果的比對，驗證模擬分析的實(shí)用性。

散熱設計

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

圖1是LED地圖燈的模組結構，它是由兼具固定支架功能的散熱鰭片、封裝LED的電路基板、附設鏡片的樹(shù)脂外罩構成。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?xún)?yōu)秀，適合當作設置空間受限的室內燈光源使用。

LED產(chǎn)生的熱幾乎都透過(guò)熱傳導，通過(guò)散熱鰭片內部再從散熱鰭片釋放到空氣，封裝LED的電路基板背面，設置厚1mm熱傳導膜片，最后再固定在鋁質(zhì)散熱鰭片。由于密閉空間內散熱不充分，因此車(chē)用室內LED燈體內部的地圖燈背面設有開(kāi)口部，從該開(kāi)口部散熱鰭片與室內燈外部空氣接觸進(jìn)行散熱。一般LED的紅外線(xiàn)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(guò)固體內部，再從散熱鰭片釋放到空氣，為了抑制LED的接點(diǎn)溫度Tj，必須減少各構成元件的熱阻抗，同時(shí)作散熱鰭片作最佳化設計。

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

LED的熱計算模型

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

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

LED內部產(chǎn)生的熱傳遞到電路基板上的銅箔，再擴散到模組整體。由于一般製作的LED熱計算模型都被簡(jiǎn)化，或是含有各種假設，因此必須驗證模型單體。此外為提升熱流模擬分析的精度，包含車(chē)內燈LED用在內，大燈與尾燈用LED都必須進(jìn)行單體模型驗證。本實(shí)驗只設置1個(gè)LED，接著(zhù)利用FR4與銅箔構成的簡(jiǎn)易電路基板進(jìn)行驗證，具體步驟首先使用熱電耦檢測LED封裝的溫度，接著(zhù)再與模擬分析結果比較。一般LED構成的照明機器進(jìn)行溫度檢測時(shí)，必須等待各部位溫度變成一定后才開(kāi)始，因此環(huán)境溫度、負載電力的初期設定會(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)際檢測時(shí)的環(huán)境溫度、負載電力。

檢測時(shí)的環(huán)境溫度為25.2℃、LED的負載電力為0.33W，在此條件下，LED封裝陰極側端部的溫度實(shí)測值為45.2℃，相較之下模擬分析的計算值為46.4℃，證實(shí)模型的計算精度沒(méi)有問(wèn)題。LED廠(chǎng)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，研究人員根據這些數據與負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℃的溫升預測結果，它是加上陰極端部位溫度45.2℃之后預測Tj為72.3℃。

LED單元的驗證

接著(zhù)介紹車(chē)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算模型?；宀糠菅u作固體模型，接著(zhù)製作銅箔圖案與熱通孔內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，則定義成設置面內的既定熱源。LED單元的熱計算模型，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(wú)負載狀態(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–熱傳導膜片、熱傳導膜片–散熱鰭片叁處變成接觸面，叁處的密著(zhù)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(guò)包含LED在內電路的熱，透過(guò)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(kāi)發(fā)LED照明機器時(shí)，只作不含LED燈體的LED單體驗證，LED產(chǎn)生的熱幾乎都是通過(guò)固體內部，再從散熱鰭片表面傳遞到空氣，不會(huì )像其它光源局部性會(huì )使產(chǎn)生紅外線(xiàn)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(shù)脂容器，熱容量的大小隨著(zhù)容積增加，其結果造成LED單元周?chē)目諝馍仙郎囟?，因此LED單元裝設至燈體時(shí)的溫度，可以根據LED單元燈體的檢測值，或是計算值作某程度的推測。此外LED單元燈體的場(chǎng)合，可輕易設置熱電耦等溫度檢測感應器，利用熱座標進(jìn)行溫度檢測。

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證LED單元時(shí)相同的條件，每個(gè)LED的負載電力為0.31W，假設其中的85%轉換變成熱，包含電阻在內的總發(fā)熱量為1.29W、環(huán)境溫度為24.6℃。

圖3是去除樹(shù)脂外罩時(shí)，LED單元的溫度分佈結果，圖中分別記載計算值與實(shí)測值。由圖可知LED的陰極部位與基板背面溫度差大約3℃，熱透過(guò)熱通孔傳遞到背面，LED的陰極部位與距離最遠的散熱鰭片的溫度差大約5℃，包含兩個(gè)LED在內的實(shí)驗值與計算值的差低于1℃以下，證實(shí)不論是LED單元的計算模型或是LED單體模型，計算精度都沒(méi)有問(wèn)題。

車(chē)內燈整體的溫度評鑑

最后針對LED車(chē)內燈進(jìn)行實(shí)測與模擬分析的評鑑與驗證。為進(jìn)行LED車(chē)內燈的溫度評鑑，首先製作照片2的試驗設備。車(chē)內燈嵌在車(chē)內樹(shù)脂天花板內，天花板內還裝設類(lèi)似車(chē)體屋頂的樹(shù)脂板，因此LED產(chǎn)生的熱透過(guò)散熱鰭片，釋放到2片樹(shù)脂板之間的空間。試驗必須以各種環(huán)境溫度進(jìn)行，因此上記試驗設備的出射光朝下放置在恆溫槽內。模擬分析必須準備室內燈試驗設備的計算模型，該模型模擬右側地圖燈的點(diǎn)燈狀態(tài)，因此只將右側模型化。此外散熱時(shí)只利用散熱鰭片周?chē)?，研究人員認為減小試驗設備的樹(shù)脂板尺寸，可以抑制計算上要求的網(wǎng)數，同時(shí)還省略試驗設備的外框。

如上述LED室內燈的試驗是將試驗設備設置在恆溫槽內部進(jìn)行，此時(shí)為降低內部攪拌用冷卻風(fēng)扇造成的循環(huán)氣流影響，試驗設備整體以紙箱包覆檢測溫度，循環(huán)氣流通過(guò)試驗設備下方的金屬網(wǎng)，可能會(huì )影響室內燈的溫度。通常循環(huán)氣流的流速為3~5m/s，本試驗以接近室內進(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)行試驗結果比較。

計算條件與實(shí)測條件一樣，假設每個(gè)LED1的0.30W負載電力的85%轉換成熱，包含電阻在內的總發(fā)熱量為1.27W，環(huán)境溫度28.7℃。圖4是試驗設備中央斷面的模樣，相較于陰極部位的溫度，相當于循環(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。

根據圖4模擬分析結果(速度向量圖)，研究人員調查試驗設備中央斷面部位，散熱鰭片與樹(shù)脂板(相當于車(chē)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)驗相同都是28.7℃。

實(shí)驗實(shí)測的LED陰極部位溫度為57.1℃，一樣流速2m/s時(shí)LED陰極部位溫度的計算值為58.7℃，3m/s時(shí)54.3℃，依此推測檢測實(shí)測值 57.1℃時(shí)的循環(huán)空氣流速，在2~3m/s之間的可能性很高。根據模擬分析結果可知，散熱鰭片與樹(shù)脂板的流速只有一樣流速的3~4%，即使如此，它對LED陰極部位溫度的影響很大，由于室內燈的樹(shù)脂燈體熱傳導率很低，因此溫度很高的領(lǐng)域，幾乎都集中在散熱鰭片周?chē)?/P>

根據57.1℃的陰極部位溫度與0.30W得負載電力，推測LED的接點(diǎn)溫度Tj為81.7℃，因此接點(diǎn)溫度Tj最大許容值可以當作Tjmax，若是130℃就有48.3℃的溫度，單純計算環(huán)境溫度一直到77.0℃還可以使用。此外在恆溫槽試驗溫度有偏低檢測傾向，因此適當的接點(diǎn)溫度推測時(shí)，必須慎重考慮此問(wèn)題。

結語(yǔ)

本文已介紹了車(chē)用LED室內燈試作品的熱流模擬分析技術(shù)。汽車(chē)的照明光源正在進(jìn)行LED化革命，然而要在車(chē)內天花板狹窄空間進(jìn)行自然空冷散熱，以往只被當作補助性質(zhì)使用的熱流模擬分析，目前反而變成基本設計必要的支援工具。因此一般認為未來(lái)設計段階透過(guò)熱流模擬分析，根本性解決問(wèn)題的手法勢必成為主流。