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发光 LED 液冷方案在汽车行业的应用

导读: 随着 GaN(氮化镓) 半导体材料技术的发展,高亮度白光 LED 在近几年发展迅猛且在许多新的照明应用领域有很大的前景,如在室外照明、工作和装饰用灯以及飞机和汽车照明灯等方面。此文主要阐述主动液冷措施在汽车前照灯采用 LED 灯的应用。

  摘要

  随着 GaN(氮化镓) 半导体材料技术的发展,高亮度白光 LED 在近几年发展迅猛且在许多新的照明应用领域有很大的前景,如在室外照明、工作和装饰用灯以及飞机和汽车照明灯等方面。此文主要阐述主动液冷措施在汽车前照灯采用 LED 灯的应用。空气冷却和被动液冷方式经尝试后由于不达标被排除,故主动液冷方式被采用。此文中对几种主动液冷系统进行了分析以及通过进行优化方面的研究找到了散热管理的最优方案。

  1.介绍

  相对于白炽灯光源,LED 的封装尺寸小,形式多样以及优异的性能近来广泛应用在汽车外灯上,如白光 LED用于汽车前照灯的应用开始被重视。尽管 LED 灯以其优良的性能使其在汽车前照灯越来越有发展前景,但使其真正达到能应用在汽车前照灯的白光 LED 水平还处在起步阶段。目前,应用 LED 在汽车前照灯只是在一些概念车上,还没有推广普及到民用汽车领域。

  目前 LED 灯应用在车辆领域中存在光度不够,高成本等有待解决的问题。条文规定车辆前灯亮度要求每个灯需达到 750lm, 而目前高亮 LED 等一般平均输出仅 40lm/W,故需更多数量的 LED 和更高的供电功率使其满足上述标准[1]。

  随着对光通量输出要求越来越高,LED 的供电功率也会持续增加。LED 封装的散热管理在车辆应用方面越来越需要关注,因为其散热的好坏会严重影响 LED 的效率,性能及可靠性等方面。

  如果二极管结温过高,就会降低 LED 效率而且发射波长会发生偏移。因此 LED 工作温度必须在其最大容许工作温度(125℃)以下,才能使其效率最佳发光颜色偏差不大。所以散热措施采用必须是全方位,全阶段的——从单个器件,封装级,板级到系统级的热分析。裸芯片(die) 发光 LED 已经进行商业方面的热分析应用。热分析模拟借助 CFD(计算流体力学)方法对此类 LED 各个阶段进行全方位的热分析进而找出较合适的散热方案。本文利用 CFD 软件 FloTHERM 进行散热优化措施设计的研究[2]。

  2. 主动式液冷方法的选择

  2.1 从器件到板级

  以 Cree XBright900 型的 LED 为例。此 LED 是一个 900*900 微米大小的芯片作为商用的裸芯片(die)提供。此 LED 在 2.5nm 空间内产生 460-470nm 的波长,颜色为蓝色。需要对每个 LED 散出的 2.7W 热量进行散热控制。此 LED 系统是由 15 个小 LED 以每 3 颗分布在 5 个电路板子上构成的。

  为了简化安装过程,把每颗 LED 进行单独封装。进而使 LED 需要通过一层磷光质使 GaN(氮化镓)基 LED把蓝光转化为白光(可见光)发射出去。产生的热量直接通过器件耗散到封装外壳上。故高导热率的陶瓷片需要选择以提供较小的热阻路径和较好的电绝缘性。AIN 陶瓷材料(K=200W/mK)非常适合作为大功率下热耗散的良导体。LED 到 AIN 陶瓷封装底部之间的热阻计算值小于 2℃/W[4]。

  AIN 陶瓷封装安装在一块绝缘金属基板上(IMS)(图 1)。IMS 基板提供热扩散和热沉提供良好的热通路进而大大简化了此系统的设计。IMS 由三层组成:铜箔回路层、薄的电介层以及铝基板[5]。几种材料构成介质层和 IMS 的三层不同厚度组合的结构进行热分析方面比较发现,最优的板子应该是较厚的回路层以较快速率传递热量加上一层很薄的且导热率很高的介质层以减少其热阻,这些层的厚度由 IMS制作工艺来决定。此文所选的 IMS 结构具体如下表所示:70μm 铜层,75μm 介电层导热率为 2.2W/mK和 1mm 厚的铝基板[4]。

  2.2 系统级——空气冷却

  应用汽车前照灯要求光必须是向前照。为此需要把 IMS 板安放在前照灯组件后面的 45 度面处。对于被动式冷却,热沉直接就安装在 IMS 板的背面。在实际中,整个系统应放在前照灯的空腔里通过对流进行换热。由于空腔尺寸有限,热沉的尺寸收到了限制。如图 2 所示,LED 的结温远远超出 其最大容许值 125℃。

  

图 2. 被动式冷却方案前照灯剖面温度云图(Tj=200℃)

  主动式空气冷却也进行了研究。然而由于其内在的空间以及周围件的约束采用较大数量的高速风扇是不可行的。从其可靠性,成本及加工方面考虑都是行不通的。综上所述,液冷措施被确定为下一步研究方向。

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