發光LED液冷方案在汽車行業的應用

隨著GaN(氮化鎵) 半導體材料技術的發展，高亮度白光LED在近幾年發展迅猛且在許多新的照明應用領域有很大的前景，如在室外照明、工作和裝飾用燈以及飛機和汽車照明燈等方面。此文主要闡述主動液冷措施在汽車前照燈采用LED燈的應用。空氣冷卻和被動液冷方式經嘗試后由于不達標被排除，故主動液冷方式被采用。此文中對幾種主動液冷系統進行了分析以及通過進行優化方面的研究找到了散熱管理的最優方案。

　　1.介紹

　　相對于白熾燈光源，LED的封裝尺寸小，形式多樣以及優異的性能近來廣泛應用在汽車外燈上，如白光LED用于汽車前照燈的應用開始被重視。盡管LED燈以其優良的性能使其在汽車前照燈越來越有發展前景，但使其真正達到能應用在汽車前照燈的白光LED水平還處在起步階段。目前，應用LED在汽車前照燈只是在一些概念車上，還沒有推廣普及到民用汽車領域。

　　目前LED燈應用在車輛領域中存在光度不夠，高成本等有待解決的問題。條文規定車輛前燈亮度要求每個燈需達到750lm， 而目前高亮LED等一般平均輸出僅40lm/W，故需更多數量的LED和更高的供電功率使其滿足上述標準。

　　隨著對光通量輸出要求越來越高，LED的供電功率也會持續增加。LED封裝的散熱管理在車輛應用方面越來越需要關注，因為其散熱的好壞會嚴重影響LED的效率，性能及可靠性等方面。

　　如果二極管結溫過高，就會降低LED效率而且發射波長會發生偏移。因此LED工作溫度必須在其最大容許工作溫度（125℃）以下，才能使其效率最佳發光顏色偏差不大。所以散熱措施采用必須是全方位，全階段的――從單個器件，封裝級，板級到系統級的熱分析。裸芯片(die) 發光LED已經進行商業方面的熱分析應用。熱分析模擬借助CFD（計算流體力學）方法對此類LED各個階段進行全方位的熱分析進而找出較合適的散熱方案。本文利用CFD軟件FloTHERM進行散熱優化措施設計的研究。

　　2． 主動式液冷方法的選擇

　　2.1 從器件到板級

　　以Cree XBright900型的LED為例。此LED是一個900*900 微米大小的芯片作為商用的裸芯片（die）提供。此LED在2.5nm 空間內產生460-470nm的波長，顏色為藍色。需要對每個LED散出的2.7W熱量進行散熱控制。此LED系統是由15個小LED以每3顆分布在5個電路板子上構成的。

　　為了簡化安裝過程，把每顆LED進行單獨封裝。進而使LED需要通過一層磷光質使GaN(氮化鎵)基LED把藍光轉化為白光（可見光）發射出去。產生的熱量直接通過器件耗散到封裝外殼上。故高導熱率的陶瓷片需要選擇以提供較小的熱阻路徑和較好的電絕緣性。AIN陶瓷材料（K=200W/mK）非常適合作為大功率下熱耗散的良導體。LED到AIN陶瓷封裝底部之間的熱阻計算值小于2℃/W。

圖1 絕緣金屬基本組件（IMS）（a）AIN材料封裝用金線連接LED,
(b)回路層，（c）介電層，（d）鋁基板

　　AIN陶瓷封裝安裝在一塊絕緣金屬基板上（IMS）（圖1）。IMS基板提供熱擴散和熱沉提供良好的熱通路進而大大簡化了此系統的設計。IMS由三層組成：銅箔回路層、薄的電介層以及鋁基板。

　　幾種材料構成介質層和IMS的三層不同厚度組合的結構進行熱分析方面比較發現，最優的板子應該是較厚的回路層以較快速率傳遞熱量加上一層很薄的且導熱率很高的介質層以減少其熱阻，這些層的厚度由IMS制作工藝來決定。此文所選的IMS結構具體如下表所示：70μm銅層，75μm介電層導熱率為2.2W/mK和1mm厚的鋁基板。

表1.IMS板結構和模型中的材料