汽車室LED燈的散熱分析技術

汽車的內、外使用許多照明元件，最近幾年汽車的照明元件光源也掀起LED化熱潮，例如汽車的大燈與尾燈已經裼LED光源。雖然尾燈使用低功率LED，不過市場很早就出現LED尾燈u品，緊接著車用照明的LED化浪潮也開始襲猿的詰疲一般認為不久將來車內燈、地圖燈、儀l板、指示器、警告器，等車用照明光源勢必全面LED化。

LED照明的課題主要是發光部的溫升，極易造成光束減少、色溫變化、短壽命化等性能降低現象，為防止這些現象即使車用室內燈，也要求一般LED照明同等級的效果性冷卻。傳統LED照明使用自然空冷時，大多使用散熱鰭片等低價元件，然而設計上必須考慮的變數，例如LED的發熱量、模組的設置方法、周圍溫度、設置空間非常多，因此試作次數有增加趨勢。

最近幾年為減少試作次數與實驗花費的工時，在設計的上游段階經常利用熱流體模擬分析預測散熱效果，以往只被當作補助性質使用的熱流模擬分析，目前反而變成基本設計必要的支援工具。接著本文介紹車用LED室內燈試作品的評a結果，同時透過與熱流模擬分析結果的比對，驗證模擬分析的實用性。

散熱設計

照片1是車用LED地圖燈模組實際外觀，它分成3大部份，中央是使用傳統小燈泡的室內燈，左右則裼LED光源構成地圖燈，由于地圖燈的照射圍很狹窄，因此使用輸出功率很低的白光LED。雖然車用LED室內燈發熱量比LED大燈與尾燈小，不過設置場地是車內天花板狹窄空間，因此必須在天花板與車體之間僅有的空間進行散熱。一般發熱量很大的LED直接裝設在散熱鰭片散熱，驅動電路則設置在其它地方居多，LED車內燈的場合，使用少數低輸出功率LED，因此LED可以直接裝設在驅動電路基板上。

圖1是LED地圖燈的模組結構，它是由兼具固定支架功能的散熱鰭片、封裝LED的電路基板、附設鏡片的樹脂外罩構成。本試作品使用2個接點溫度Tj最大值130℃的表面封裝型LED，表面封裝型LED小型、散熱性優秀，適合當作設置空間受限的室內燈光源使用。

LED產生的熱幾乎都透過熱傳導，通過散熱鰭片內部再從散熱鰭片釋放到空氣，封裝LED的電路基板背面，設置厚1mm熱傳導膜片，最后再固定在鋁質散熱鰭片。由于密閉空間內散熱不充分，因此車用室內LED燈體內部的地圖燈背面設有開口部，從該開口部散熱鰭片與室內燈外部空氣接觸進行散熱。一般LED的紅外線放射量非常少，如圖2所示幾乎所有熱都是從發熱部通過固體內部，再從散熱鰭片釋放到空氣，為了抑制LED的接點溫度Tj，必須減少各構成元件的熱阻抗，同時作散熱鰭片作最佳化設計。

本試作品的電路基板設有電阻等元件會發熱，電路基板再以樹脂罩蓋住，包含LED在內的熱，必須效率性傳導至電路基板背面，電路基板使用FR4材質。

LED的熱計算模型

LED的熱流模擬分析工具，使用加拿大AYA Heat Transfer Technologies公司開發的「ESC/TMG」，與美國Siemens PLM Software公司開發的3次元CAD工具「I-deas」。類似LED熱流模型簡易形狀可以利用I-deasu作，復雜元件形狀的場合，必須將設計時使用的形狀資料輸入到I-deas，接著再組合變成熱計算模型。此外為短縮模擬分析的計算時間，因此將計算模型簡略化u成計算網，再賦予計算條件就能夠立即執行模擬分析。

模擬分析結果檢討后需要再模擬分析時，在I-deas上可以修正計算模型的絕大部份，因此一直到執行為止作業工時非常少。進行LED熱流模擬分析時，最重要是LED單體的熱計算模型u作，不過幾乎所有LEDu品都不公開封裝內部元件的尺寸，必要尺寸與各部位的形狀，必須利用顯微鏡與斷面照片觀察細部。u成的LED熱計算模型與實物一樣陽極上裝設LED晶片，熱除了從陰極傳遞到電路基板之外，還從陽極經過封裝內部傳遞到楊極。此處假設連接各部位的金線造成的熱移動很微量，因此忽略不計。

LED內部產生的熱傳遞到電路基板上的銅箔，再擴散到模組整體。由于一般u作的LED熱計算模型都被簡化，或是含有各種假設，因此必須驗證模型單體。此外為提升熱流模擬分析的精度，包含車內燈LED用在內，大燈與尾燈用LED都必須進行單體模型驗證。本實驗只設置1個LED，接著利用FR4與銅箔構成的簡易電路基板進行驗證，具體步驟首先使用熱電耦檢測LED封裝的溫度，接著再與模擬分析結果比較。一般LED構成的照明機器進行溫度檢測時，必須等待各部位溫度變成一定后才開始，因此環境溫度、負載電力的初期設定會產生微小變化，為進行精確比較即使模擬分析，也是比照實際檢測時的環境溫度、負載電力。

檢測時的環境溫度為25.2℃、LED的負載電力為0.33W，在此條件下，LED封裝陰極側端部的溫度實測值為45.2℃，相較之下模擬分析的計算值為46.4℃，證實模型的計算精度沒有問題。LED廠商提供從陰極端部位一直到接點部位熱阻抗相關資料，研究人員根據這些數據與負載電力兩者相乘的積，立即獲得一直到接點部位為止27.1℃的溫升預測結果，它是加上陰極端部位溫度45.2℃之后預測Tj為72.3℃。

LED單元的驗證

接著介紹車用地圖燈LED單元試作品的模擬分析，此處首先u作整體的熱計算模型?；宀糠輚作固體模型，接著u作銅箔圖案與熱通孔內面的鍍銅層厚度低于0.1mm的2次元圖，LED以外的阻抗器等熱源，則定義成設置面內的既定熱源。LED單元的熱計算模型，微小角落與曲折部位除外，幾乎完全模擬實際試作品u作，基板與散熱鰭片之間插入熱傳導膜片，由于不考慮固定螺絲鎖緊壓力造成的壓縮，因此厚度變成無負載狀態時的1mm。

一般相異元件接觸部位都會有接觸熱阻抗，它也是造成溫N的塬因之一，本模型的LED基板、基板–熱傳導膜片、熱傳導膜片–散熱鰭片叁處變成接觸面，叁處的密著性都比固體接觸高，因此模擬分析時不考慮接觸面的熱阻抗。