紧凑型LED汽车前照灯散热研究

紧凑型LED汽车前照灯

散热和配光设计

报告人：李海涛摘要：功率相同时，LED光源模块的热阻随芯片数量的增加呈线性关系下降，芯片密度增加不会引起光子自吸收。使用一种特殊硅油封装前照灯，采用9芯片封装的光源模块作为前照灯光源，进行远光灯的散热和配光设计，结果表明液体封装远光灯光源散热面积增加1倍以上，前照灯长43mm，直径40mm，椭球型液体透镜满足GB25991-2010远光配光要求。231绪论LED汽车前照灯散热技术分析LED光源模块结构优化54液体封装远光灯散热和光学设计总结1

绪论汽车前照灯发展历程汽车前照灯的光源性能国内外LED前照灯技术现状LED前照灯现状总结煤油灯乙炔灯1903冷光源白炽灯1925卤素灯1959HID1995LED灯2007汽车前照灯发展历程燃料光源电光源白炽灯卤素灯HID灯LED光效10lm/w25lm/w90lm/w150lm/w寿命100h>300h>3000h几万hLED响应速快(LED1ms内、白炽灯200ms)、抗震、体积小、工作电压低、电流小、绿色环保。汽车前照灯的光源性能2007年5月日本小糸和日亚化工研发的LED近光灯安装在雷克萨斯LS600h上2008年奥迪R8安装了Lumileds和Osram研发的全LED前照灯。2009年雷克萨斯RX450h、普锐斯、HS250h三款车安装了LED前照灯。2011年奥迪R8安装上Philips的LED光源作为前照灯。2012年奥迪A6、奔驰CLS350、宝马6系列开始使用LED前照灯。国外LED前照灯技术现状吉林东光瑞宝车灯有限责任公司基于奔腾B50车型研制的LED前照灯国内LED前照灯技术现状3个近光模块2个远光灯模块工作温度90℃寿命10000h以上LED汽车前照灯最先在近光灯上得到应用。LED汽车前照灯市场占有率极低。LED汽车前照灯技术水平低，散热问题没彻底克服造成。

国内外LED前照灯现状总结2LED汽车前照灯散热技术分析

自然散热散热片材料散热片结构主动散热

风冷

水冷

导体制冷热管散热自然散热工作液体要求粘度小、密度小10个热扩散板，每个上固定3颗LED，2.7W/颗第一个热扩散板和最后一个热扩散板的温度还有不足5℃液冷25℃环境中，把18W的白光LED光源结温降低到59.7℃。风冷及热管散热半导体散热器是根据特殊半导体热电效应制作的散热器件，散热器可以做成片状。直流电经过P型半导体时吸收热量形成冷端，在N型半导体上释放能量形成热端，冷端可以安装LED光源。半导体散热器可靠性高，体积小。半导体散热1每个灯具由几种散热方式组合完成。2这几种散热方式均从LED光源背光面，热接触面小。3

散热不足加上想要的配光元件导致灯具体积庞大。总结2

LED光源结构设计

LED结温对光电性能的影响芯片结构对光源性能的影响

LED光源热阻计算及分析LED光源光辐射试验及分析光通量与结温辐射波长与结温正向电压与结温正数常量，负数常量LED结温对光电性能的影响图1a.正装芯片示意图图a为GaN衬底的LED芯片，芯片直接用导热硅胶结合在小尺寸反光碗或载片台上，光效受两个因素制约：1.P—GaN导电效率低，在P电极和P—GaN之间加NiAu合金电流扩散层，太薄会影响电流均匀度，但厚度增加吸收的光也会增加。2.蓝宝石导热能力差芯片结构对光源性能的影响

图b也为GaN衬底的LED片，芯片直接贴装到硅载体或PCB基板上，优点体现在：1.用高反射率的金属作接触层提高了光的取出效率，采用0.12um厚的Ag和Al对470~520nm光的反射效率分别达96%和84%。2.P-N结到硅底板的热阻小。

图1

b.倒装芯片示意图芯片结构对光源性能的影响LED光源热阻计算及分析芯片与环境之间温度差(1)PN结到基板之间的热阻(2)(2)式代入(1)式(3)光源的总热阻

(4)同一光源的芯片具有相同的几何尺寸、相同的材料、相同的热光电性质，每个芯片的工作条件也相同，即每个芯片产生的热量相同LED光源热阻计算及分析相同光源模块材料、相同功率，光源模块总热阻随封装芯片数量的增加呈线性关系下降。光源模块封装结构受封装技术制约，模块的芯片集成密度受引线及固晶技术限制，应在现有技术能力下增加芯片集成密度。温度：25℃光源模块：……结论：LED器件之间无光子吸收现象LED光源光辐射试验及分析1.倒装芯片优良的光电热特性，适宜在大功率光源中采用。2.LED光源功率一定时，热阻随芯片数量增加呈线性关系下降。3.对芯片封装的LED光源模块，芯片之间无光子自吸收现象，光出射效率不会降低。4.远光灯或近光灯采用9颗1mm

1mm，光通量1300lm。结论4远光灯配光和散热设计光学

热学紧凑型LED前照灯散热结构合理散热材料热传导、热对流及热辐射能力强与出光面接触的散热材料有良好光学特性与出光面接触的散热材料化学特性良好与出光面接触的散热材料不损伤光源表面光源模块全表面散热措施4远光灯配光和散热设计液体远光灯散热方案

LED光源模块热阻为12℃/W

铜棒长8mm，直径10mm，热阻为1.28℃/W外壳厚度很小，热阻可以忽略不计

液体通过热传导热热对流两种散热，温度分布不均匀、形状不规则，不能通过计算得到散热性能数据，可以通过测量光源温度得到其散热效果。光通量随结温变化LED光源液体远光灯散热方案液体封装LED远光灯照度分布入射光通量：1130.28lm光能利用效率：86.94%液体远光灯配光设计EmaxHV点HV点至1125R或LHV点至2250R或L国标要求≥48≥0.8Emax≥24≥6仿真结果56.1456.14≥49.97≥23.50测试结果54.17±1.0854.17±1.08≥46.94±0.97≥25.60±0.60液体封装LED远光灯仿真结果（