汽车室LED灯的散热分析技术

汽车的内、外使用许多照明元件，最近几年汽车的照明元件光源也掀起LED化热潮，例如汽车的大灯与尾灯已经裼LED光源。虽然尾灯使用低功率LED，不过市场很早就出现LED尾灯u品，紧接着车用照明的LED化浪潮也开始袭猿的诘疲一般认为不久将来车内灯、地图灯、仪l板、指示器、警告器，等车用照明光源势必全面LED化。

LED照明的课题主要是发光部的温升，极易造成光束减少、色温变化、短寿命化等性能降低现象，为防止这些现象即使车用室内灯，也要求一般LED照明同等级的效果性冷却。传统LED照明使用自然空冷时，大多使用散热鳍片等低价元件，然而设计上必须考虑的变数，例如LED的发热量、模组的设置方法、周围温度、设置空间非常多，因此试作次数有增加趋势。

最近几年为减少试作次数与实验花费的工时，在设计的上游段阶经常利用热流体模拟分析预测散热效果，以往只被当作补助性质使用的热流模拟分析，目前反而变成基本设计必要的支援工具。接着本文介绍车用LED室内灯试作品的评a结果，同时透过与热流模拟分析结果的比对，验证模拟分析的实用性。

散热设计

照片1是车用LED地图灯模组实际外观，它分成3大部份，中央是使用传统小灯泡的室内灯，左右则裼LED光源构成地图灯，由于地图灯的照射围很狭窄，因此使用输出功率很低的白光LED。虽然车用LED室内灯发热量比LED大灯与尾灯小，不过设置场地是车内天花板狭窄空间，因此必须在天花板与车体之间仅有的空间进行散热。一般发热量很大的LED直接装设在散热鳍片散热，驱动电路则设置在其它地方居多，LED车内灯的场合，使用少数低输出功率LED，因此LED可以直接装设在驱动电路基板上。

图1是LED地图灯的模组结构，它是由兼具固定支架功能的散热鳍片、封装LED的电路基板、附设镜片的树脂外罩构成。本试作品使用2个接点温度Tj最大值130℃的表面封装型LED，表面封装型LED小型、散热性优秀，适合当作设置空间受限的室内灯光源使用。

LED产生的热几乎都透过热传导，通过散热鳍片内部再从散热鳍片释放到空气，封装LED的电路基板背面，设置厚1mm热传导膜片，最后再固定在铝质散热鳍片。由于密闭空间内散热不充分，因此车用室内LED灯体内部的地图灯背面设有开口部，从该开口部散热鳍片与室内灯外部空气接触进行散热。一般LED的红外线放射量非常少，如图2所示几乎所有热都是从发热部通过固体内部，再从散热鳍片释放到空气，为了抑制LED的接点温度Tj，必须减少各构成元件的热阻抗，同时作散热鳍片作最佳化设计。

本试作品的电路基板设有电阻等元件会发热，电路基板再以树脂罩盖住，包含LED在内的热，必须效率性传导至电路基板背面，电路基板使用FR4材质。

LED的热计算模型

LED的热流模拟分析工具，使用加拿大AYA Heat Transfer Technologies公司开发的「ESC/TMG」，与美国Siemens PLM Software公司开发的3次元CAD工具「I-deas」。类似LED热流模型简易形状可以利用I-deasu作，复杂元件形状的场合，必须将设计时使用的形状资料输入到I-deas，接着再组合变成热计算模型。此外为短缩模拟分析的计算时间，因此将计算模型简略化u成计算网，再赋予计算条件就能够立即执行模拟分析。

模拟分析结果检讨后需要再模拟分析时，在I-deas上可以修正计算模型的绝大部份，因此一直到执行为止作业工时非常少。进行LED热流模拟分析时，最重要是LED单体的热计算模型u作，不过几乎所有LEDu品都不公开封装内部元件的尺寸，必要尺寸与各部位的形状，必须利用显微镜与断面照片观察细部。u成的LED热计算模型与实物一样阳极上装设LED晶片，热除了从阴极传递到电路基板之外，还从阳极经过封装内部传递到杨极。此处假设连接各部位的金线造成的热移动很微量，因此忽略不计。

LED内部产生的热传递到电路基板上的铜箔，再扩散到模组整体。由于一般u作的LED热计算模型都被简化，或是含有各种假设，因此必须验证模型单体。此外为提升热流模拟分析的精度，包含车内灯LED用在内，大灯与尾灯用LED都必须进行单体模型验证。本实验只设置1个LED，接着利用FR4与铜箔构成的简易电路基板进行验证，具体步骤首先使用热电耦检测LED封装的温度，接着再与模拟分析结果比较。一般LED构成的照明机器进行温度检测时，必须等待各部位温度变成一定后才开始，因此环境温度、负载电力的初期设定会产生微小变化，为进行精确比较即使模拟分析，也是比照实际检测时的环境温度、负载电力。

检测时的环境温度为25.2℃、LED的负载电力为0.33W，在此条件下，LED封装阴极侧端部的温度实测值为45.2℃，相较之下模拟分析的计算值为46.4℃，证实模型的计算精度没有问题。LED厂商提供从阴极端部位一直到接点部位热阻抗相关资料，研究人员根据这些数据与负载电力两者相乘的积，立即获得一直到接点部位为止27.1℃的温升预测结果，它是加上阴极端部位温度45.2℃之后预测Tj为72.3℃。

LED单元的验证

接着介绍车用地图灯LED单元试作品的模拟分析，此处首先u作整体的热计算模型。基板部份u作固体模型，接着u作铜箔图案与热通孔内面的镀铜层厚度低于0.1mm的2次元图，LED以外的阻抗器等热源，则定义成设置面内的既定热源。LED单元的热计算模型，微小角落与曲折部位除外，几乎完全模拟实际试作品u作，基板与散热鳍片之间插入热传导膜片，由于不考虑固定螺丝锁紧压力造成的压缩，因此厚度变成无负载状态时的1mm。

一般相异元件接触部位都会有接触热阻抗，它也是造成温N的塬因之一，本模型的LED基板、基板–热传导膜片、热传导膜片–散热鳍片叁处变成接触面，叁处的密着性都比固体接触高，因此模拟分析时不考虑接触面的热阻抗。