隨著汽車行業的發展，以前只在高端車型中才配置美觀與光學性能優越的大功率LED模組，漸漸普及到了大量的A級車及售后市場上，特別是隨著發光二極管（LED）光源在車燈中的大量應用，大功率LED 在汽車前照燈中的大量配備更是以后的發展趨勢。因此透鏡作為外飾燈具主力軍的同時，大功率LED的散熱問題一直是燈具設計階段的重點工作。

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大功率LED在汽車前照燈中主要應用在遠近光功能上，從外觀上可以大致分為反射式與透鏡兩類：

LED遠近光-反射式

LED遠近光-透鏡式

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某車燈遠近光模組的內部結構

但無論是反射式還是透鏡的外觀形式，在熱學模型上是一樣的，都是通過金屬基板將大功率LED產生的熱量導致后方的散熱器上，然后利用散熱器龐大的表面積散發到周圍的空氣中，具體的散熱路徑如下圖所示:

大功率LED的散熱路徑

下面就散熱路徑上的每個部件在散熱工作機理做一些介紹：

一、LED

LED的內部構造

很多人覺得LED作為熱源在整個熱學模型中充當的是一個簡單的熱源作用，類似鹵素燈中的燈炮，不認為對散熱有什么作用。其實不然，因為準確的來說LED中熱源的部分是LED封裝中間的晶元部分，也就是常說的Junction。在Junction的溫度導出到LED封裝外側時，就會體現出不同LED的性能。具體在LED的規格書中會有定義不同LED的junction到焊盤處的熱阻信息，該值越小越能體現LED的散熱性能好，特別是在大功率LED的應用下，該因素至關重要。

LED規格書中對熱阻的定義

二、PCB

PCB是承載LED焊接和走線的重要載體，首先保證的是電路的布置，其次是保證能否滿足電子器件的散熱要求，二者需要同時滿足。提到PCB的選型，就不得不提到FR4與金屬基板兩大類，前者有方便走線，雙面布線的優點，缺點是散熱性能差，在大功率LED運用較少。

FR4板中增加過孔提升散熱性能

當然FR4板可以通過垂直方向的散熱過孔將熱量導入下端的銅箔，加大散熱能力，但是由于過孔中銅箔含量很低，提升能力后仍然遠不及金屬基板，所以應用在小功率的情況下居多。

與FR4相反的就是在大功率LED中運用較多的金屬基板，其中鋁基板運用的更廣，其優點是金屬基材的高導熱性將熱源中熱量第一時間導出，缺點則是只能單面布置電路，成本較貴，是遠近光這種大功率模組的首選方案。

PCB散熱示意圖（左側為FR4,右側為金屬基板）

從上圖的散熱示意圖中不難看出，金屬基板的散熱能力優越的根本原因是基材的高導熱性能，從而比FR4多了底部的熱傳導，更加充分利用了PCB的散熱面積。

值得注意的是同樣是金屬基板，由于不同廠家絕緣層的配方及切片工藝的差異，也會導致其散熱性能也有所差異。

金屬基板的結構示意圖

不同型號的金屬基板溫度性能

三、導熱硅脂/導熱膠

因為實際產品加工出來后PCB與散熱器貼合面上，從微觀角度看貼合的面都是點與點接觸的，這就和設計理想狀態面與面接觸大相徑庭。設計的初衷是熱量從PCB直接導入到散熱器的基面上，而實際的產品中粗糙的接觸面導致大量的空氣填充在接觸面上，這些空氣形成了阻熱層，阻礙熱流向散熱器運動，此時需要一些填充材料將二者之間的空氣排出來，所以這些導熱填充材料應運而生。

微觀上理想和實際的零件接觸表面

填充導熱材料前后的熱流走向分布

導熱材料的工作機理都是一樣的，但是根據不同產品的實際需求，市場上主要有三種不同的類型產品：

1.導熱硅脂

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某款導熱硅脂

導熱硅脂是應用最多的一種，也叫散熱膏、導熱膏，是一種高導熱絕緣有機硅材料。導熱硅脂具有高導熱率，極佳的導熱性，良好的電絕緣性，較寬的使用溫度，很好的使用穩定性，較低的稠度和良好的施工性能。

在實際運用中主要應用在零貼的兩個零件之間，盡可能的擠壓出零件之間的空氣間隙，達到最佳的熱傳導狀態。但是眾所周知含硅產品都離不開揮發的問題，到了一定使用壽命后，導熱硅脂會固化產生間隙，導熱性能大打折扣。

2.導熱硅膠

某款導熱膠

導熱硅膠的出現規避了導熱硅脂的揮發問題，同時具備導熱硅脂的其他優點。具有優異的導熱性能，固化后的導熱系數達到1.1-1.5W/mK ,為電子產品提供了高保障的散熱系數。同時具備優越的電氣性，耐老化、抗冷熱交變性能，增加產品的使用壽命。具備一定的粘接強度，尤其對電子元件、鋁、PVCPBT等塑料具有良好的附著力，有良好的密閉性和粘接性。由于導熱硅膠可以固話的特點，不存在導熱硅脂揮發龜裂的問題，適合產品使用壽命有一定要求的產品。

3.導熱墊片

某款導熱墊片

導熱墊片具有一定的柔韌性、良好的絕緣性、壓縮性、專門為利用縫隙傳遞熱量的設計方案生產。能夠填充縫隙，完成發熱部分與散熱部分的熱傳遞。導熱墊片多數用在燈具中的驅動電路板設計，及部分中功率FR4電路板，同時對電路保護有一定要求的情況。在遠近光的發光模組中運用較少，因為大功率模組在熱設計中盡可能減少間隙，不適用與導熱墊片的使用。

四、散熱器

散熱器圖片?
工藝	壓鑄	鋁擠	鍛造
材料	ADC6/10/12	Al?6063	Al?1070
熱導熱率	146/100/92?	200	230
模型復雜程度	復雜	簡單	中等
表面處理	陽極/噴漆	陽極/噴漆	陽極/噴漆
模具費用	高	低	中
表處費用	高	中	中
外觀	差	好	好

散熱器應該是整個模組設計中最重要的環節，在這個設計環節中需要確認散熱器工藝形式，散熱器形狀及評估是否需要配備風扇。下表為常用的散熱器工藝的差別。

除此之外，散熱器設計中的葉片高度、長度、周圍空氣的流速都對LED模組的溫度有一定影響。下面就圖示經典散熱器的關鍵尺寸簡單分析各參數對散熱性能的影響：

典型的散熱片設計

通過上圖可以看出隨著翅片高度的增加，散熱面積進一步增大，熱源處的溫度不斷變小。但是需要注意的是溫度變小不是線性的，當翅片高度大于80mm后，溫降就會變的很不明顯。此時一味地增大翅片高度是沒有意義的。

在長度方向增加長度同樣是增大了散熱器的散熱面積，達到一定的降溫效果。但是到達一定長度后，溫度有所升高。因為當散熱器在自然對流條件下，空氣的流速是靠溫差驅動的，流速都很小屬于層流，通過流體力學所學內容得知層流有明確的邊界層，隨著散熱器長度的增加，邊界層的厚度也是累積的，當厚度達到翅片間間隙時，空氣便無法流動，其散熱性能反而降低了。所以在設計過程中如遇到長度方向很大的散熱器，一般會對翅片在一定間隔內打斷的處理，阻礙其邊界層的累積，充分發揮散熱性能。

最后一張圖是溫度與流速的關系，很顯然流速從0.5m/s到3m/s，溫度會有很大降幅接近50%，但是隨著風速的進一步提升，溫降的效果就不太明顯了。通過這個規律我們可以得出：在車燈散熱設計中有沒有風扇，溫度差異很大；風量規格不一樣的風扇之間，溫度差異不會有質的差異。

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原文始發于微信公眾號（智能汽車俱樂部）：車燈大功率LED散熱-原理篇