蔣敏，昌進(jìn)

(常州星宇車燈股份有限公司, 江蘇常州 213022)

0 引言

隨著車載LED前照燈應(yīng)用普遍，它的熱管理受到更廣泛的重視。有關(guān)研究[1-2]表明，大功率的LED模組結(jié)溫的升高會(huì)導(dǎo)致發(fā)光波長漂移、光效下降、熒光粉加速老化以及使用壽命縮短等一系列問題，因此LED前照燈散熱是車燈設(shè)計(jì)過程的重要環(huán)節(jié)。按照散熱方式可分為主動(dòng)散熱和被動(dòng)散熱，主動(dòng)散熱包括風(fēng)冷散熱、熱管散熱等；被動(dòng)散熱包括散熱器、導(dǎo)熱脂、石墨等。目前應(yīng)用較廣泛的主要有兩種：第一種是只有散熱器被動(dòng)散熱，第二種是散熱器與風(fēng)扇主動(dòng)散熱相結(jié)合。對于LED車燈，良好的熱管理取決于LED熱阻、LED貼片技術(shù)、線路板散熱性能、導(dǎo)熱脂性能、散熱器設(shè)計(jì)、風(fēng)扇性能等。

線路板與散熱器之間的界面熱阻較大，因?yàn)閮烧呓缑娴谋砻嬖谖⒂^上粗糙不平，即使表面接觸壓力高達(dá)10 MPa，其實(shí)際接觸面積僅占1%～2%，其余部分充滿空氣孔隙，不利于熱量傳遞[3-4]。因此更優(yōu)的散熱器連接技術(shù)對熱量管理起著關(guān)鍵性作用。選擇合適的導(dǎo)熱脂，能有效降低系統(tǒng)熱阻，并能減少LED前照燈散熱器的質(zhì)量。導(dǎo)熱脂種類較多，按是否有黏性可分為導(dǎo)熱膠和導(dǎo)熱硅脂。導(dǎo)熱膠有黏性，黏連性較好，導(dǎo)熱系數(shù)較低；導(dǎo)熱硅脂無黏連性，導(dǎo)熱系數(shù)較高。一般來說，導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱性能更好。

1 仿真模擬

1.1 仿真模型

文中以某前照燈LED近光模組為例，先對模型上不影響計(jì)算結(jié)果的微小結(jié)構(gòu)及部件進(jìn)行幾何清理，然后利用ANSYS ICEM對燈具進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.2 仿真結(jié)果

利用ANSYS Fluent對劃分好網(wǎng)格的模型進(jìn)行仿真模擬，對導(dǎo)熱脂設(shè)置不同的熱系數(shù)及厚度，模擬溫度分布如圖1所示。

模擬得出LED的焊點(diǎn)溫度Ts，再通過數(shù)學(xué)公式計(jì)算LED結(jié)溫。其計(jì)算公式：

Tj=Ts+Pth·Rthjs

(1)

式中：Ts為LED焊點(diǎn)的溫度；Pth為功率；Rthjs是指結(jié)點(diǎn)到PCB的熱阻。

表1是不同導(dǎo)熱系數(shù)的LED模擬溫度，結(jié)果表明：仿真模擬中導(dǎo)熱脂的導(dǎo)熱系數(shù)及厚度對LED結(jié)溫影響較小。

LED型號導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-1·K-1)導(dǎo)熱脂厚度/μmLED焊點(diǎn)溫度Ts/℃LED結(jié)溫/℃Altilon PNP3.110068881.910069891.9200719131006888

2 實(shí)驗(yàn)測試

2.1 測試條件

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為25 ℃，在LED模組上布置K型熱電偶傳感器，如圖2所示。

2.2 測試結(jié)果

在同一個(gè)LED芯片和散熱器之間，用絲網(wǎng)刷涂覆不同型號的導(dǎo)熱脂，并且布置熱電偶測試溫度。其中絲網(wǎng)厚度為100 μm，測試結(jié)果如表2所示。

表2 不同導(dǎo)熱系數(shù)的LED溫度測試結(jié)果

結(jié)果表明：導(dǎo)熱脂厚度越厚，導(dǎo)熱效果越差，LED結(jié)溫越高。

3 熱阻測試

將LED近光模組內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化，簡化模型如圖3所示。

LED結(jié)溫計(jì)算公式：

Tj=Ta+Pthermal·Rthja

(2)

Rthja=Rthjb+Rthbh+Rthha

(3)

式中：Rthja為結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻；Rthjb為焊點(diǎn)到線路板的熱阻；Rthbh為線路板到散熱器的熱阻；Rthha為散熱器到環(huán)境的熱阻。通過環(huán)境溫度、系統(tǒng)熱阻及LED功率，可以直接計(jì)算出LED結(jié)溫。

根據(jù)JESD51標(biāo)準(zhǔn)，采用T3ster儀器測量，通過結(jié)構(gòu)函數(shù)得出系統(tǒng)熱阻及上述分段熱阻，可有效檢測熱失效位置，比如芯片引腳焊接失效或貼片不良、線路板、LED老化等問題，能有效評估系統(tǒng)散熱性能，并且直接測量出LED結(jié)溫。

在同一LED模組上分別涂覆G777、3466、XG 3種導(dǎo)熱脂，利用T3ster儀器測試系統(tǒng)熱阻。測試結(jié)果如圖5—圖7所示。表3為不同導(dǎo)熱系數(shù)的LED溫度測試結(jié)果。

LED型號導(dǎo)熱脂型號導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-1·K-1)導(dǎo)熱脂厚度/μm系統(tǒng)熱阻/(K·W-1)LED結(jié)溫/℃Altilon PNPG7773.11003.4828834661.9約200(手工涂覆)4.563108XG31003.68392

從表3可以看出：導(dǎo)熱脂對LED模組系統(tǒng)熱阻影響較大，厚度較厚且導(dǎo)熱系數(shù)較低的導(dǎo)熱脂，系統(tǒng)熱阻較高，LED結(jié)溫較高。

4 結(jié)果分析

作者從軟件模擬仿真、實(shí)驗(yàn)間接測試、T3ster直接測量3個(gè)方面研究了導(dǎo)熱脂對LED前照燈散熱的影響。表4是仿真模擬、實(shí)驗(yàn)測試及T3ster結(jié)果對比表。

表4 仿真模擬、實(shí)驗(yàn)測試及T3ster結(jié)果對比表 ℃

一般來說，導(dǎo)熱系數(shù)高的導(dǎo)熱脂，系統(tǒng)熱阻值低，散熱效果好，但導(dǎo)熱性能不僅與導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，與導(dǎo)熱脂的厚度以及散熱器的吸附性都相關(guān)。厚度較薄，填滿空氣間隙即可，吸附性較好的導(dǎo)熱脂導(dǎo)熱效果更好。

5 結(jié)語

文中主要研究導(dǎo)熱脂對LED前照燈散熱的影響，從CAE仿真模擬、實(shí)驗(yàn)測試對比，以及散熱系統(tǒng)熱阻測試3個(gè)方面進(jìn)行分析。建立了某前照燈LED近光燈模組的有限元模型，通過仿真軟件ANSYS Fluent進(jìn)行模擬分析，并且將模擬溫度值與測試值進(jìn)行對比，通過T3ster儀器直接測量LED的結(jié)溫及系統(tǒng)熱阻。得出了仿真計(jì)算導(dǎo)熱脂的導(dǎo)熱系數(shù)對系統(tǒng)散熱影響較小，實(shí)際應(yīng)用測試導(dǎo)熱脂對LED模組散熱有一定影響?？偟膩碚f，導(dǎo)熱脂的導(dǎo)熱系數(shù)越高、涂覆厚度越薄、吸附性越好，導(dǎo)熱性能越好。文中的研究結(jié)果對LED燈具熱量管理提供一定的參考。