隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，以前只在高端車型中才配置美觀與光學(xué)性能優(yōu)越的大功率LED模組，漸漸普及到了大量的A級(jí)車及售后市場上，特別是隨著發(fā)光二極管（LED）光源在車燈中的大量應(yīng)用，大功率LED 在汽車前照燈中的大量配備更是以后的發(fā)展趨勢。因此透鏡作為外飾燈具主力軍的同時(shí)，大功率LED的散熱問題一直是燈具設(shè)計(jì)階段的重點(diǎn)工作。
（本篇文章原文PDF，請(qǐng)?jiān)诠娞?hào)對(duì)話框輸入：“20211105”下載）
?
大功率LED在汽車前照燈中主要應(yīng)用在遠(yuǎn)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(yuǎn)近光-反射式
LED遠(yuǎn)近光-透鏡式
?
某車燈遠(yuǎn)近光模組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
但無論是反射式還是透鏡的外觀形式，在熱學(xué)模型上是一樣的，都是通過金屬基板將大功率LED產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致后方的散熱器上，然后利用散熱器龐大的表面積散發(fā)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(gè)部件在散熱工作機(jī)理做一些介紹：
一、LED
LED的內(nèi)部構(gòu)造
很多人覺得LED作為熱源在整個(gè)熱學(xué)模型中充當(dāng)?shù)氖且粋€(gè)簡單的熱源作用，類似鹵素?zé)糁械臒襞冢徽J(rèn)為對(duì)散熱有什么作用。其實(shí)不然，因?yàn)闇?zhǔn)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(dǎo)出到LED封裝外側(cè)時(shí)，就會(huì)體現(xiàn)出不同LED的性能。具體在LED的規(guī)格書中會(huì)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(xiàn)LED的散熱性能好，特別是在大功率LED的應(yīng)用下，該因素至關(guān)重要。
LED規(guī)格書中對(duì)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(shí)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(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是散熱性能差，在大功率LED運(yùn)用較少。
FR4板中增加過孔提升散熱性能
當(dāng)然FR4板可以通過垂直方向的散熱過孔將熱量導(dǎo)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(yuǎn)不及金屬基板，所以應(yīng)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(yùn)用較多的金屬基板，其中鋁基板運(yùn)用的更廣，其優(yōu)點(diǎn)是金屬基材的高導(dǎo)熱性將熱源中熱量第一時(shí)間導(dǎo)出，缺點(diǎn)則是只能單面布置電路，成本較貴，是遠(yuǎn)近光這種大功率模組的首選方案。
PCB散熱示意圖（左側(cè)為FR4,右側(cè)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(yōu)越的根本原因是基材的高導(dǎo)熱性能，從而比FR4多了底部的熱傳導(dǎo)，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(huì)導(dǎo)致其散熱性能也有所差異。
金屬基板的結(jié)構(gòu)示意圖
不同型號(hào)的金屬基板溫度性能
三、導(dǎo)熱硅脂/導(dǎo)熱膠
因?yàn)閷?shí)際產(chǎn)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(diǎn)與點(diǎn)接觸的，這就和設(shè)計(jì)理想狀態(tài)面與面接觸大相徑庭。設(shè)計(jì)的初衷是熱量從PCB直接導(dǎo)入到散熱器的基面上，而實(shí)際的產(chǎn)品中粗糙的接觸面導(dǎo)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(yùn)動(dòng)，此時(shí)需要一些填充材料將二者之間的空氣排出來，所以這些導(dǎo)熱填充材料應(yīng)運(yùn)而生。
微觀上理想和實(shí)際的零件接觸表面
填充導(dǎo)熱材料前后的熱流走向分布
導(dǎo)熱材料的工作機(jī)理都是一樣的，但是根據(jù)不同產(chǎn)品的實(shí)際需求，市場上主要有三種不同的類型產(chǎn)品：
1.導(dǎo)熱硅脂
?
某款導(dǎo)熱硅脂
導(dǎo)熱硅脂是應(yīng)用最多的一種，也叫散熱膏、導(dǎo)熱膏，是一種高導(dǎo)熱絕緣有機(jī)硅材料。導(dǎo)熱硅脂具有高導(dǎo)熱率，極佳的導(dǎo)熱性，良好的電絕緣性，較寬的使用溫度，很好的使用穩(wěn)定性，較低的稠度和良好的施工性能。
在實(shí)際運(yùn)用中主要應(yīng)用在零貼的兩個(gè)零件之間，盡可能的擠壓出零件之間的空氣間隙，達(dá)到最佳的熱傳導(dǎo)狀態(tài)。但是眾所周知含硅產(chǎn)品都離不開揮發(fā)的問題，到了一定使用壽命后，導(dǎo)熱硅脂會(huì)固化產(chǎn)生間隙，導(dǎo)熱性能大打折扣。
2.導(dǎo)熱硅膠
某款導(dǎo)熱膠
導(dǎo)熱硅膠的出現(xiàn)規(guī)避了導(dǎo)熱硅脂的揮發(fā)問題，同時(shí)具備導(dǎo)熱硅脂的其他優(yōu)點(diǎn)。具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，固化后的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1.1-1.5W/mK ,為電子產(chǎn)品提供了高保障的散熱系數(shù)。同時(shí)具備優(yōu)越的電氣性，耐老化、抗冷熱交變性能，增加產(chǎn)品的使用壽命。具備一定的粘接強(qiáng)度，尤其對(duì)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(dǎo)熱硅膠可以固話的特點(diǎn)，不存在導(dǎo)熱硅脂揮發(fā)龜裂的問題，適合產(chǎn)品使用壽命有一定要求的產(chǎn)品。
3.導(dǎo)熱墊片
某款導(dǎo)熱墊片
導(dǎo)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(shè)計(jì)方案生產(chǎn)。能夠填充縫隙，完成發(fā)熱部分與散熱部分的熱傳遞。導(dǎo)熱墊片多數(shù)用在燈具中的驅(qū)動(dòng)電路板設(shè)計(jì)，及部分中功率FR4電路板，同時(shí)對(duì)電路保護(hù)有一定要求的情況。在遠(yuǎn)近光的發(fā)光模組中運(yùn)用較少，因?yàn)榇蠊β誓＝M在熱設(shè)計(jì)中盡可能減少間隙，不適用與導(dǎo)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(dǎo)熱率 | 146/100/92? | 200 | 230 |
| 模型復(fù)雜程度 | 復(fù)雜 | 簡單 | 中等 |
| 表面處理 | 陽極/噴漆 | 陽極/噴漆 | 陽極/噴漆 |
| 模具費(fèi)用 | 高 | 低 | 中 |
| 表處費(fèi)用 | 高 | 中 | 中 |
| 外觀 | 差 | 好 | 好 |
散熱器應(yīng)該是整個(gè)模組設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)，在這個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中需要確認(rèn)散熱器工藝形式，散熱器形狀及評(píng)估是否需要配備風(fēng)扇。下表為常用的散熱器工藝的差別。
除此之外，散熱器設(shè)計(jì)中的葉片高度、長度、周圍空氣的流速都對(duì)LED模組的溫度有一定影響。下面就圖示經(jīng)典散熱器的關(guān)鍵尺寸簡單分析各參數(shù)對(duì)散熱性能的影響：
典型的散熱片設(shè)計(jì)
通過上圖可以看出隨著翅片高度的增加，散熱面積進(jìn)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(dāng)翅片高度大于80mm后，溫降就會(huì)變的很不明顯。此時(shí)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(dá)到一定的降溫效果。但是到達(dá)一定長度后，溫度有所升高。因?yàn)楫?dāng)散熱器在自然對(duì)流條件下，空氣的流速是靠溫差驅(qū)動(dòng)的，流速都很小屬于層流，通過流體力學(xué)所學(xué)內(nèi)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(dāng)厚度達(dá)到翅片間間隙時(shí)，空氣便無法流動(dòng)，其散熱性能反而降低了。所以在設(shè)計(jì)過程中如遇到長度方向很大的散熱器，一般會(huì)對(duì)翅片在一定間隔內(nèi)打斷的處理，阻礙其邊界層的累積，充分發(fā)揮散熱性能。
最后一張圖是溫度與流速的關(guān)系，很顯然流速從0.5m/s到3m/s，溫度會(huì)有很大降幅接近50%，但是隨著風(fēng)速的進(jìn)一步提升，溫降的效果就不太明顯了。通過這個(gè)規(guī)律我們可以得出：在車燈散熱設(shè)計(jì)中有沒有風(fēng)扇，溫度差異很大；風(fēng)量規(guī)格不一樣的風(fēng)扇之間，溫度差異不會(huì)有質(zhì)的差異。
（本篇文章原文PDF，請(qǐng)?jiān)诠娞?hào)對(duì)話框輸入：“20211105”下載）
?
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（智能汽車俱樂部）：車燈大功率LED散熱-原理篇