伴隨著汽車行業的蓬勃發展，過去僅在高端車型中配置漂亮且光學性能優越的大功率LED模組逐漸在大批A級車和售后市場中得到推廣，尤其是隨著車燈發光二極管（LED）光源的廣泛使用，汽車前照燈大功率LED的大量裝備是未來發展的趨勢。所以透鏡作為外飾燈具的主力軍，在燈具設計階段大功率LED散熱始終是關鍵任務。

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式兩類。

某車燈遠近光模組的內部結構

但是不論反射式或透鏡式外觀形式與熱學模型中相同，均透過金屬基板使大功率LED所產生之熱造成后方散熱器，再利用散熱器巨大的表面積向四周空氣進行散熱，其散熱路徑見下圖:

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：

1.LED

LED的內部構造

許多人都感覺到LED作為熱源對于整個熱學模型起到了一種單純的熱源，就像鹵素燈里的燈炮一樣，并沒有想到它對于散熱會起到怎樣的效果。其實不然，因為準確的來說LED中熱源的部分是LED封裝中間的晶圓部分，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

2.PCB

PCB作為承載LED焊接與走線的主要載體，一要確保線路的排布，二要確保是否能達到電子器件散熱要求，兩者需同時具備。提到PCB的選擇，我們必須要提FR4和金屬基板這兩種類型，前者具有便于走線和雙面布線等優勢，其劣勢在于散熱性能較差，很少應用于大功率LED中。

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。

和FR4正好相反，大功率LED使用比較廣泛的金屬基板之一，鋁基板使用比較廣泛，它具有金屬基材導熱性高的優點，能在第一時間從熱源導出熱量，缺點是僅能單面安排線路，造價較高，為遠近光此類大功率模組之優選方案。

PCB散熱示意圖（左側為FR4,右側為金屬基板）

由上面散熱示意圖不難看出金屬基板之所以具有優越散熱能力，其根源在于基材具有高導熱性，因此較FR4更能增加底部熱傳導并更能充分利用PCB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

3.導熱硅脂/導熱膠

由于實際產品在加工完成后,PCB與散熱器之間的貼合面，微觀上所貼合表面均為點接觸，與設計中理想狀態下的面與面之間的接觸有很大不同。設計最初目的是從PCB將熱量直接引入散熱器基面，實際產品粗糙接觸面造成大量空氣充滿接觸面，這些空氣構成阻熱層使熱流不能移動到散熱器上，這時就需要一定的填充材料來排出兩者間的空氣，于是就出現了這些導熱填充材料。

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

導熱硅脂使用最廣泛，又稱散熱膏，導熱膏等，屬于高導熱絕緣有機硅材料。導熱硅脂導熱率高、導熱性優良、電絕緣性好、使用溫度范圍大、使用穩定性好、稠度小、施工性能優良。

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

導熱硅膠的問世避免了導熱硅脂蒸發的問題，還具有導熱硅脂其他的優點。導熱性能優良，固化導熱系數達1.1-1.5W/mK,對電子產品散熱系數有較高的保證。同時具有優越電氣性和耐老化，抗冷熱交變等特點，提高了產品使用壽命。具有一定粘接強度，特別是與電子元件，鋁,PVC\PBT塑料附著力好，密閉性及粘接性好。因導熱硅膠能固話，不會出現導熱硅脂揮發龜裂等現象，適用于對產品使用壽命有所要求。

3.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。

4.散熱器

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。下表介紹了常見散熱器工藝差異。

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

從上圖中可看到，散熱面積隨翅片高度增加而進一步擴大，而熱源處溫度則繼續降低。但要注意溫度變小并非線性，翅片高度超過80mm時溫降變得極不明顯。這時盲目提高翅片的高度毫無意義。

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。由于散熱器處于自然對流狀態時，空氣流速由溫差來推動，速度均較小屬層流，由流體力學學習到的知識可知層流具有清晰的邊界層，隨散熱器長度增大，邊界層厚度不斷積累，厚度到達翅片之間縫隙后空氣就不能流通，散熱性能卻下降。因此，當設計過程中碰到長度方向較大的散熱器時，通常都是將翅片以某一區間進行中斷處理，使之邊界層積累受阻，散熱性能無法得到充分地發揮。

最后一幅圖就是溫度和流速之間的關系，可見流速由0.5m/s變為3m/s時，溫度將大幅度下降近50%，但隨風速進一步增大，溫降作用并不明顯。由這一規律可得：車燈散熱設計時是否有風扇存在的溫度相差較大；風量規格不同的風扇，其溫度差異也就沒有質的區別。