汽車室內LED燈的散熱分析技術

汽車的內、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)採用LED光源。雖然尾燈使用低功率LED，不過市場很早就出現(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燈，一般認為不久將來車內燈、地圖燈、儀錶板、指示器、警告器，等車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(xiàn)象，為防止這些現(xiàn)象即使車用室內燈，也要求一般LED照明同等級的效果性冷卻。傳統(tǒng)LED照明使用自然空冷時，大多使用散熱鰭片等低價元件，然而設計上必須考慮的變數(shù)，例如LED的發(fā)熱量、模組的設置方法、周圍溫度、設置空間非常多，因此試作次數(shù)有增加趨勢。

最近幾年為減少試作次數(shù)與實驗花費的工時，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。接著本文介紹車用LED室內燈試作品的評鑑結果，同時透過與熱流模擬分析結果的比對，驗證模擬分析的實用性。

散熱設計

照片1是車用LED地圖燈模組實際外觀，它分成3大部份，中央是使用傳統(tǒng)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。雖然車用LED室內燈發(fā)熱量比LED大燈與尾燈小，不過設置場地是車內天花板狹窄空間，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，驅動電路則設置在其它地方居多，LED車內燈的場合，使用少數(shù)低輸出功率LED，因此LED可以直接裝設在驅動電路基板上。

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、附設鏡片的樹脂外罩構成。本試作品使用2個接點溫度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)生的熱幾乎都透過熱傳導，通過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，最后再固定在鋁質散熱鰭片。由于密閉空間內散熱不充分，因此車用室內LED燈體內部的地圖燈背面設有開口部，從該開口部散熱鰭片與室內燈外部空氣接觸進行散熱。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)熱部通過固體內部，再從散熱鰭片釋放到空氣，為了抑制LED的接點溫度Tj，必須減少各構成元件的熱阻抗，同時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發(fā)熱，電路基板再以樹脂罩蓋住，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。

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公司開發(fā)的「ESC/TMG」，與美國Siemens PLM Software公司開發(fā)的3次元CAD工具「I-deas」。類似LED熱流模型簡易形狀可以利用I-deas製作，復雜元件形狀的場合，必須將設計時使用的形狀資料輸入到I-deas，接著再組合變成熱計算模型。此外為短縮模擬分析的計算時間，因此將計算模型簡略化製成計算網(wǎng)，再賦予計算條件就能夠立即執(zhí)行模擬分析。

模擬分析結果檢討后需要再模擬分析時，在I-deas上可以修正計算模型的絕大部份，因此一直到執(zhí)行為止作業(yè)工時非常少。進行LED熱流模擬分析時，最重要是LED單體的熱計算模型製作，不過幾乎所有LED製品都不公開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察細部。製成的LED熱計算模型與實物一樣陽極上裝設LED晶片，熱除了從陰極傳遞到電路基板之外，還從陽極經(jīng)過封裝內部傳遞到楊極。此處假設連接各部位的金線造成的熱移動很微量，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，包含車內燈LED用在內，大燈與尾燈用LED都必須進行單體模型驗證。本實驗只設置1個LED，接著利用FR4與銅箔構成的簡易電路基板進行驗證，具體步驟首先使用熱電耦檢測LED封裝的溫度，接著再與模擬分析結果比較。一般LED構成的照明機器進行溫度檢測時，必須等待各部位溫度變成一定后才開始，因此環(huán)境溫度、負載電力的初期設定會產(chǎn)生微小變化，為進行精確比較即使模擬分析，也是比照實際檢測時的環(huán)境溫度、負載電力。

檢測時的環(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測值為45.2℃，相較之下模擬分析的計算值為46.4℃，證實模型的計算精度沒有問題。LED廠商提供從陰極端部位一直到接點部位熱阻抗相關資料，研究人員根據(jù)這些數(shù)據(jù)與負載電力兩者相乘的積，立即獲得一直到接點部位為止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，因此厚度變成無負載狀態(tài)時的1mm。

一般相異元件接觸部位都會有接觸熱阻抗，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，叁處的密著性都比固體接觸高，因此模擬分析時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照明機器時，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固體內部，再從散熱鰭片表面?zhèn)鬟f到空氣，不會像其它光源局部性會使產(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，其結果造成LED單元周圍的空氣上升溫度，因此LED單元裝設至燈體時的溫度，可以根據(jù)LED單元燈體的檢測值，或是計算值作某程度的推測。此外LED單元燈體的場合，可輕易設置熱電耦等溫度檢測感應器，利用熱座標進行溫度檢測。

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單元時相同的條件，每個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是去除樹脂外罩時，LED單元的溫度分佈結果，圖中分別記載計算值與實測值。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LED在內的實驗值與計算值的差低于1℃以下，證實不論是LED單元的計算模型或是LED單體模型，計算精度都沒有問題。

車內燈整體的溫度評鑑

最后針對LED車內燈進行實測與模擬分析的評鑑與驗證。為進行LED車內燈的溫度評鑑，首先製作照片2的試驗設備。車內燈嵌在車內樹脂天花板內，天花板內還裝設類似車體屋頂?shù)臉渲?，因此LED產(chǎn)生的熱透過散熱鰭片，釋放到2片樹脂板之間的空間。試驗必須以各種環(huán)境溫度進行，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燈狀態(tài)，因此只將右側模型化。此外散熱時只利用散熱鰭片周圍，研究人員認為減小試驗設備的樹脂板尺寸，可以抑制計算上要求的網(wǎng)數(shù)，同時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行，此時為降低內部攪拌用冷卻風扇造成的循環(huán)氣流影響，試驗設備整體以紙箱包覆檢測溫度，循環(huán)氣流通過試驗設備下方的金屬網(wǎng)，可能會影響室內燈的溫度。通常循環(huán)氣流的流速為3~5m/s，本試驗以接近室內進行，冷卻風扇造成的循環(huán)氣流影響比較小，模擬分析分別以2m/s、3m/s、4m/s一樣流速為條件進行試驗結果比較。

計算條件與實測條件一樣，假設每個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有影響。此外必須利用模擬分析檢討攪拌用冷卻風扇造成的循環(huán)氣流影響。

根據(jù)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，散熱鰭片與樹脂板(相當于車體的屋頂)挾持領域的空氣速度，以及LED陰極部位的溫度，環(huán)境溫度與上記實驗相同都是28.7℃。

實驗實測的LED陰極部位溫度為57.1℃，一樣流速2m/s時LED陰極部位溫度的計算值為58.7℃，3m/s時54.3℃，依此推測檢測實測值 57.1℃時的循環(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LED陰極部位溫度的影響很大，由于室內燈的樹脂燈體熱傳導率很低，因此溫度很高的領域，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得負載電力，推測LED的接點溫度Tj為81.7℃，因此接點溫度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?shù)慕狱c溫度推測時，必須慎重考慮此問題。

結語

本文已介紹了車用LED室內燈試作品的熱流模擬分析技術。汽車的照明光源正在進行LED化革命，然而要在車內天花板狹窄空間進行自然空冷散熱，以往只被當作補助性質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。因此一般認為未來設計段階透過熱流模擬分析，根本性解決問題的手法勢必成為主流。