大家都知道半導體材料的工作受環境溫度的影響很大。大功率LED光電轉換效率較低，在運行過程中僅有50%~75%電能轉化為光能，剩余電能幾乎全部轉化為熱能。再加上汽車前大燈裝在灼熱的發動機艙內，來自高溫水箱，引擎和排氣系統的熱量使LED前大燈處于惡劣環境下工作。傳統車燈燈泡產生的熱量比LED高得多，但是燈泡的輸出亮度并不因熱量而改變，其熱量設計主要集中在殼體內部均溫設計。而LED的光輸出卻會因為自身的熱或來自發動機艙的高溫而影響本身PN結溫穩定，LED光通量ФV和波長等重要參數受到PN結溫的直接影響，這種不良的溫度循環將導致發光效率和壽命急劇下降。因此散熱成為LED作為光源設計的重要課題。

1、汽車前大燈的散熱技術

1.被動散熱與主動散熱

一般散熱設計都是將焊裝大功率LED電路板與散熱器緊密連接。LED在工作時產生的熱，以傳導方式通過電路板傳遞給熱傳導率高的鋁質散熱器。鋁質散熱器的翼片與空氣大面積接觸將熱散發開來。為了有效地減小散熱器和電路板之間的熱阻，其間填充了導熱介質。選用的散熱器其翼片形狀和面積是可以滿足LED大燈散熱方案的設計。這種散熱方式我們稱之為被動散熱[2]。

主動散熱常用液冷、熱管、風冷等方式。由于液冷使用的液體必須在泵的帶動下強制循環帶走散熱器的熱量，熱管則依靠高導熱性能的傳熱元件在全封閉真空管內的液體的蒸發與凝結來傳遞熱量，二者都不適合車燈內使用。風冷散熱具有價格較低、安裝簡單等優點最為常用。針對被動散熱方式存在的散熱器中心區域溫度相對集中的情況，加裝風扇強制對流后(見圖1)，對緩解散熱器溫度不均勻有明顯效果。

2.LED散熱通道設計

加裝風扇后強制對流

LED一般焊接在雙面敷銅層印制板（PCB）[1]上,LED底面焊接在PCB敷銅面上，為了提高散熱效率采用較大敷銅層作為散熱面。它是最簡單的散熱結構[3]。

本文研究的汽車前大燈；管芯散熱設計選用了一種更利于散熱的LE3S封裝[1]。這種封裝的特點是，以面積較大的銅合金散熱墊為基座，管芯固定在基座中央。同時將LED基座與銅基板接觸區域的絕緣介質剝離，使銅合金基座與鋁基板直接接觸。基座上的熱直接傳導至LED的外部。這種內部結構去處了管芯和基座之間的介質減少了熱阻，更直接地將管芯的結溫導出(見圖2a)。

本文研究的LED汽車前大燈主要散熱路徑是：管芯→銅合金基板→鋁基板→散熱器或機殼→環境空氣，(見圖2b)。若LED的結溫為TJ，環境空氣的溫度為TA，散熱墊底部的溫度為Tc(TJ>Tc>TA)，在熱傳導過程中，各種材料的導熱性能不同，即有不同的熱阻。管芯傳導到散熱墊底面的熱阻為RJC(LED的熱阻)、散熱墊傳導到PCB面層敷銅層的熱阻為RCB、PCB傳導到環境空氣的熱阻為RBA，則從管芯的結溫TJ傳導到空氣TA的總熱阻RJA，RJA與各熱阻關系為：RJA=RJC+RCB+RBA，銅合金基板和鋁基板導熱性能接近且熱阻小，其導熱性能就好，即散熱性能也越好[2]。該散熱結構的總熱阻比常規結構減少近26%。

2、車燈環境的系統設計

由于現階段的LED的輸出光通量低，僅汽車近光燈就需要1000lm以上。考慮到汽車前大燈的配光要求以及電學、光學參數的穩定性，LED應用于汽車前大燈常需要集幾顆甚至幾十顆LED元件于一塊模組中，才能滿足車燈法規所需的要求。目前，我們針對ETI產品的類似封裝進行配光設計。其中單只LED輸出光通量大于350lm，陣列3只這種LED即可滿足車燈1000lm的基本要求。

1.擴大散熱面積提高傳導效率。

在LED汽車前大燈近光單元設計中，3顆大功率LED陣列在鋁基板上。這種緊密排列的大功率LED熱量的高度集中和散熱難度可想而知。試驗樣件的做法是鋁基板與散熱器緊密貼合固定。二者之間的填充了性價比較高且使用簡單的導熱硅脂，在整個散熱系統中，硅脂層其實是散熱關鍵之所在。目前主流導熱硅脂的導熱系數均大于1W/m·K，優質的可達到6W/m·K以上，試驗選擇了性價比較高導熱率達到4。4W/m·K的TG2244導熱硅脂。

2.強制對流提供與外界空氣熱交換。

在散熱片的背面加裝風扇促使強制空氣流動。風扇加速了散熱片的熱交換的同時，流動的空氣也直接從PCB板上帶走了部分熱量。由于燈體的狹小且密封，與外界的空氣對流幾乎不可能。圖3a所示風冷結構中風扇的強制對流可以緩解散熱器中心區域與周圍環境的溫度不均勻，使燈體內部和燈體外殼的溫度盡量接近。有助于將內部的熱通過外殼和外置散熱器傳導出去。

3.散熱器部分外置。

根據發動機艙內的分布及燈體安裝的空間大小，將燈體散熱器設計為內置和外置二個部分，如圖3b所示。外置散熱器設計在燈殼的上緣。內置LED產生的熱由內置散熱器傳導到外置的散熱片上，再通過對流散熱。考慮到燈光通常在行駛時開啟，發動機艙受到強對流風冷的作用，溫度相對較低。加之車燈外殼上緣恰好暴露在車前蓋的縫隙處，車輛行駛時車蓋縫隙導入的氣流流經外置散熱片的翼片，外置散熱器受到空氣的風冷。外置散熱器對燈內的降溫發揮了很好散熱作用。

3、試驗方法和數據

1.試驗設置和設備

根據理論設計、數據仿真制作了試驗模型和LED前大燈工作樣。樣件制作要求盡量接近目標產品，以便將研究成果更快地，更好地轉化為產品。所述燈體內分別設有以LED為光源的遠，近光燈以及轉向燈與位置燈。測試觀察的重點是燈體內的溫度對光衰的作用。

主要測試設備為YF1000光色電綜合分析系統、車燈配光自動測試系統以及多點溫度檢測儀等專用設備。測試點分別是：車燈照度、光型、LED光源溫度、PCB溫度、散熱器溫度以及燈腔不同位置的溫度梯度[4]。設備具有自動記錄和數據預置功能，以驗證散熱與光衰的關系。

2.試驗數據

圖4是LED光源溫度與光衰在不同的散熱方式下的關系曲線。圖中可見僅PCB散熱、加散熱器的被動散熱和強制對流的主動散熱3種不同散熱設計存在相當大的差異。后二種在105℃時，基本上能夠提供80%以上的出光率。

一般功率器件(如電源IC)散熱計算中，只要結溫小于最大允許結溫溫度(一般是125℃)就可以了。但在大功率LED散熱設計中，其結溫TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ對LED的出光率及壽命有較大影響，TJ越高會使LED的出光率越低，壽命越短。大功率白光LED的結溫TJ在亮度衰減70%時與壽命的關系，如圖5所示。

圖5：LED結溫影響壽命圖

我們對圖3b所示的前大燈樣件做了不同條件下的光衰測試，試驗建立在LED散熱良好的基礎上，模組安裝在大燈封閉殼體內，溫度檢測點在LED光源附近。試驗數據采集時的環境溫度是在燈體外部施加的。試驗結果表明環境溫度60℃時，光衰緩慢；100℃時，光衰加劇(見圖6)。

圖6：不同溫度環境下LED的光衰

4、結論

LED本身PN結引起結溫增加，使得LED光衰增強，發光效率受影響而縮短壽命。在將LED用于汽車前大燈光源的應用中，一般都是設計有若干個LED芯片陣列。所以在設計LED前大燈樣機時，先做好LED散熱設計，使得結溫得到控制后，再根據LED大燈工作環境對驅動功率及溫升進行控制，大功率LED低于80%光衰,30000h壽命才有了基本保證。LED汽車前大燈產品只有市場前景廣闊。