發(fā)光LED液冷方案在汽車行業(yè)的應(yīng)用

隨著GaN(氮化鎵) 半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，高亮度白光LED在近幾年發(fā)展迅猛且在許多新的照明應(yīng)用領(lǐng)域有很大的前景，如在室外照明、工作和裝飾用燈以及飛機(jī)和汽車照明燈等方面。此文主要闡述主動(dòng)液冷措施在汽車前照燈采用LED燈的應(yīng)用?？諝饫鋮s和被動(dòng)液冷方式經(jīng)嘗試后由于不達(dá)標(biāo)被排除，故主動(dòng)液冷方式被采用。此文中對(duì)幾種主動(dòng)液冷系統(tǒng)進(jìn)行了分析以及通過進(jìn)行優(yōu)化方面的研究找到了散熱管理的最優(yōu)方案。

　　1.介紹

　　相對(duì)于白熾燈光源，LED的封裝尺寸小，形式多樣以及優(yōu)異的性能近來廣泛應(yīng)用在汽車外燈上，如白光LED用于汽車前照燈的應(yīng)用開始被重視。盡管LED燈以其優(yōu)良的性能使其在汽車前照燈越來越有發(fā)展前景，但使其真正達(dá)到能應(yīng)用在汽車前照燈的白光LED水平還處在起步階段。目前，應(yīng)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(lǐng)域。

　　目前LED燈應(yīng)用在車輛領(lǐng)域中存在光度不夠，高成本等有待解決的問題。條文規(guī)定車輛前燈亮度要求每個(gè)燈需達(dá)到750lm， 而目前高亮LED等一般平均輸出僅40lm/W，故需更多數(shù)量的LED和更高的供電功率使其滿足上述標(biāo)準(zhǔn)。

　　隨著對(duì)光通量輸出要求越來越高，LED的供電功率也會(huì)持續(xù)增加。LED封裝的散熱管理在車輛應(yīng)用方面越來越需要關(guān)注，因?yàn)槠渖岬暮脡臅?huì)嚴(yán)重影響LED的效率，性能及可靠性等方面。

　　如果二極管結(jié)溫過高，就會(huì)降低LED效率而且發(fā)射波長會(huì)發(fā)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(fā)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(gè)器件，封裝級(jí)，板級(jí)到系統(tǒng)級(jí)的熱分析。裸芯片(die) 發(fā)光LED已經(jīng)進(jìn)行商業(yè)方面的熱分析應(yīng)用。熱分析模擬借助CFD（計(jì)算流體力學(xué)）方法對(duì)此類LED各個(gè)階段進(jìn)行全方位的熱分析進(jìn)而找出較合適的散熱方案。本文利用CFD軟件FloTHERM進(jìn)行散熱優(yōu)化措施設(shè)計(jì)的研究。

　　2． 主動(dòng)式液冷方法的選擇

　　2.1 從器件到板級(jí)

　　以Cree XBright900型的LED為例。此LED是一個(gè)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(nèi)產(chǎn)生460-470nm的波長，顏色為藍(lán)色。需要對(duì)每個(gè)LED散出的2.7W熱量進(jìn)行散熱控制。此LED系統(tǒng)是由15個(gè)小LED以每3顆分布在5個(gè)電路板子上構(gòu)成的。

　　為了簡(jiǎn)化安裝過程，把每顆LED進(jìn)行單獨(dú)封裝。進(jìn)而使LED需要通過一層磷光質(zhì)使GaN(氮化鎵)基LED把藍(lán)光轉(zhuǎn)化為白光（可見光）發(fā)射出去。產(chǎn)生的熱量直接通過器件耗散到封裝外殼上。故高導(dǎo)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(dǎo)體。LED到AIN陶瓷封裝底部之間的熱阻計(jì)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(kuò)散和熱沉提供良好的熱通路進(jìn)而大大簡(jiǎn)化了此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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(gòu)成介質(zhì)層和IMS的三層不同厚度組合的結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析方面比較發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)的板子應(yīng)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(dǎo)熱率很高的介質(zhì)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(jié)構(gòu)具體如下表所示：70μm銅層，75μm介電層導(dǎo)熱率為2.2W/mK和1mm厚的鋁基板。

表1.IMS板結(jié)構(gòu)和模型中的材料