引文

近年來，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車照明日新月異，人們對前照燈的要求也越來越高。以LED為代 表的固態(tài)照明光源具有壽命長、體積小、轉(zhuǎn)換效率高、低壓直流供電等優(yōu)點，與其他光源相比，固態(tài)光源具有絕 對的技術(shù)優(yōu)勢，完全滿足了前照燈的各種功能要求。2007年，豐田汽車發(fā)布了全球首 款配備LED大燈的雷克薩斯LS600h汽車（圖1），標(biāo)志著LED大燈正式進(jìn)入汽車照明市場。根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)，2020年的中國LED汽車照明市場規(guī)模將超過425億人民幣。

2018年5月，國際汽車照明和信號專家委 員會在日本京都召開了全體成員第125次會議。會議中對大功率LED的散熱性能提出了新的要求。研究表明，大功率LED和LD的70-90%的電能轉(zhuǎn)化為熱能，當(dāng)熱量集中在小尺寸芯片時，熱流密度大，導(dǎo)致LED的PN結(jié)溫度急劇上升。連續(xù)的高結(jié)溫會導(dǎo)致發(fā)光波長偏移、發(fā)光效率降低，降低LED的穩(wěn)定性，縮短LED的使用壽命。因此，為了保證LED前照燈的安全穩(wěn)定工作，前照燈研制初期的散熱設(shè)計非常關(guān)鍵，而如何通過仿真準(zhǔn)確獲取LED的結(jié)溫數(shù)據(jù)則顯得尤為重要。

圖1 雷克薩斯LS600h的LED前照燈

LED散熱通道

       目前，帶LED封裝的燈具通常安裝在陶瓷基板上。假設(shè)芯片之間沒有熱耦合效應(yīng)，取一個芯片來分析其冷卻通道。當(dāng)點亮LED芯片時，熱量從芯片區(qū)流出，傳遞熱量主要有兩種方式：第一種方式，熱量通過芯片頂部的電極、磷光體層和硅膠（或環(huán)氧樹脂）傳遞到器件上；另一種方式，熱量通過芯片下面的硅襯底、晶體焊接層和封裝基板傳遞到空氣中或傳遞到引線框架的冷卻系統(tǒng)。由于硅膠與環(huán)氧樹脂等封裝材料的導(dǎo)熱性較差，芯片上部的熱阻遠(yuǎn)大于芯片下部的熱阻，第一種方式的散熱可以忽略。LED散熱主要通過PCB板和散熱器傳導(dǎo)以及燈箱環(huán)境的熱輻射和熱對流。LED工作時，燈箱的部件如反射鏡、導(dǎo)光板、燈罩、支架和外殼都會迅速升溫。各種部件相互接觸產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，燈內(nèi)的空氣因受熱不均而產(chǎn)生熱對流。

CX53大燈及其精細(xì)結(jié)構(gòu)

       本文采用的CX53前照燈的三維模型如圖2所示。該LED前照燈的遠(yuǎn)光燈和近光燈為一個整體，LED模塊由散熱器、PCB、固定支架和透鏡組成，采用歐斯龍黑色平板LED，其近光燈為三個LED，遠(yuǎn)光為五個LED芯片，功率分別為8.9W和15.2W， 對應(yīng)的PN結(jié)熱阻分別為1.30K/W和0.90K/W。

圖2   CX53三維模型

在傳統(tǒng)的車燈熱場分析中，LED和PCB被簡化為與實際尺寸相似的立方體。根據(jù)芯片和封裝的實際結(jié)構(gòu)，本文對LED車燈進(jìn)行了精細(xì)結(jié)構(gòu)建模，保留了封裝層、熒光層、芯片層、引線框架層和外殼的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在Fluent ANSYS的殼單元中設(shè)置引線框架的上、下覆銅層和熒光層時，對應(yīng)部分應(yīng)具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖3 LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)建模圖

CX53前照燈熱場分析

       熱場分析的目的是計算模型中各部件的溫度分布、熱梯度、熱流密度等物理量。熱量來源包括人體熱源、熱對流、熱輻射和外部熱場。本文所用的仿真軟件Fluent基于流體力學(xué)計算，采用適當(dāng)?shù)乃惴ㄇ蠼饪臻g離散區(qū)域內(nèi)各節(jié)點的物理方程，得到相應(yīng)的物理參數(shù)。

       CX53前照燈采用通用預(yù)處理軟件ANSA完成前照燈熱分析的網(wǎng)格劃分，并對LED和封裝內(nèi)部進(jìn)行建模，獲得所需的網(wǎng)格數(shù)量。劃分得到的網(wǎng)格約256萬個，示意圖如圖4所示。將ANSA軟件劃分的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行仿真。對于精細(xì)結(jié)構(gòu)的LED，封裝內(nèi)部保留了熒光層、光源、襯底、DA層和引線框架。引線框架層上下表面為鍍銅層，中間為基材。上下外殼單元為覆銅層。LED內(nèi)部各元件的材料配置見圖5。

圖4 LED空間分析的網(wǎng)格劃分

圖5LED精細(xì)結(jié)構(gòu)材料和熱阻

此外，本文在邊界條件中為各部分設(shè)置了合適的發(fā)射率和擴散系數(shù)。本文選擇近光集成LED模塊，近光為三片LED，遠(yuǎn)光為五片LED，電功率為8.9W和15.2W，光電轉(zhuǎn)換效率為30%，熱功率分別為6.23W和10.64W。工作環(huán)境溫度為50℃，燈罩外表面與外殼外表面的熱對流系數(shù)取8W/m²·K。

仿真結(jié)果

       從圖6可以看出，精細(xì)模型LED模擬的溫度極大值為141.0℃，出現(xiàn)在遠(yuǎn)光LED中間的熒光層。對于沒有精細(xì)化建模的模型，模擬的溫度極大值為130.2℃，出現(xiàn)在PCB和LED的耦合面上。根據(jù)結(jié)溫計算公式，傳統(tǒng)LED模擬結(jié)溫極大值為139.1℃，比精細(xì)結(jié)構(gòu)LED模擬結(jié)溫極大值低1.9℃。對于溫度分布云圖，溫度條的顏色由藍(lán)色變?yōu)榧t色，溫度逐漸升高。兩種型號LED模塊的溫度分布趨勢基本一致。而對于簡化模型的LED模塊，溫度是LED焊腳溫度130.2℃，低于精細(xì)模型LED結(jié)溫的141.0℃。兩個模塊的溫度極大值出現(xiàn)在透鏡上，分別為64.6℃和67.8℃。在相同的工作條件下，兩種不同的LED建模方法得到的模擬溫度會有一定的差異模塊。關(guān)鍵點的溫度如圖7。

圖6 LED精細(xì)結(jié)構(gòu)建模（左）與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模（右）溫度圖

圖7 不同建模方法中LED關(guān)鍵點的**溫度

實驗檢驗

測試儀器與方法

       在本實驗中，主要用熱電偶測量溫度。根據(jù)仿真結(jié)果，利用熱電偶對前照燈主要部件的高溫點進(jìn)行實際測試。主要測試點和設(shè)備有：CX53前照燈樣品（圖8）、熱電偶、AB膠、電熨斗、鋁箔、數(shù)據(jù)采集器、高溫烘箱等。

實驗時，將CX53前照燈放入高溫烘箱中。將高溫烘箱的溫度調(diào)至50°C，接通電源。當(dāng)烘箱溫度達(dá)到50°C且穩(wěn)定后，接通CX53前照燈的直流電源，點亮前照燈。待燈正常工作約2小時后，燈內(nèi)各部位溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡，用熱電偶和溫度計測量燈罩、燈殼等部位的溫度。

圖8 CX53 前照燈樣品

實驗結(jié)果與仿真結(jié)果比較

       在本次溫度試驗中，所用熱電偶的測量誤差為±2.5℃，因此，本次試驗測得的溫度是經(jīng)過多次試驗得到的平均值。另外，將精細(xì)建模的模擬溫度與實際測試溫度之間的差定義為△T₁，將傳統(tǒng)建模的模擬溫度與實際測試溫度之間的差定義為△T₂。燈穩(wěn)定后，讀取并記錄數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖9。通過對精細(xì)結(jié)構(gòu)LED和簡化模型LED模擬得到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)LED可以更準(zhǔn)確地模擬燈具正常工作時燈箱內(nèi)各部件的實際溫度。

圖9   建模數(shù)據(jù)和真實數(shù)據(jù)比較

結(jié)論

       精細(xì)結(jié)構(gòu)LED建?？梢愿鼫?zhǔn)確地模擬燈具正常工作時燈箱內(nèi)各部件的實際溫度。精細(xì)結(jié)構(gòu)建模是提高車燈熱分析精度的有效手段。