伴隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，過去僅在高端車型中配置漂亮且光學(xué)性能優(yōu)越的大功率LED模組逐漸在大批A級車和售后市場中得到推廣，尤其是隨著車燈發(fā)光二極管（LED）光源的廣泛使用，汽車前照燈大功率LED的大量裝備是未來發(fā)展的趨勢。所以透鏡作為外飾燈具的主力軍，在燈具設(shè)計階段大功率LED散熱始終是關(guān)鍵任務(wù)。

大功率LED在汽車前照燈中主要應(yīng)用在遠(yuǎn)近光功能上，從外觀上可以大致分為反射式與透鏡式兩類。

某車燈遠(yuǎn)近光模組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

但是不論反射式或透鏡式外觀形式與熱學(xué)模型中相同，均透過金屬基板使大功率LED所產(chǎn)生之熱造成后方散熱器，再利用散熱器巨大的表面積向四周空氣進(jìn)行散熱，其散熱路徑見下圖:

大功率LED的散熱路徑

下面就散熱路徑上的每個部件在散熱工作機(jī)理做一些介紹：

1.LED

LED的內(nèi)部構(gòu)造

許多人都感覺到LED作為熱源對于整個熱學(xué)模型起到了一種單純的熱源，就像鹵素?zé)衾锏臒襞谝粯?，并沒有想到它對于散熱會起到怎樣的效果。其實(shí)不然，因?yàn)闇?zhǔn)確的來說LED中熱源的部分是LED封裝中間的晶圓部分，也就是常說的Junction。在Junction的溫度導(dǎo)出到LED封裝外側(cè)時，就會體現(xiàn)出不同LED的性能。具體在LED的規(guī)格書中會有定義不同LED的junction到焊盤處的熱阻信息，該值越小越能體現(xiàn)LED的散熱性能好，特別是在大功率LED的應(yīng)用下，該因素至關(guān)重要。

LED規(guī)格書中對熱阻的定義

2.PCB

PCB作為承載LED焊接與走線的主要載體，一要確保線路的排布，二要確保是否能達(dá)到電子器件散熱要求，兩者需同時具備。提到PCB的選擇，我們必須要提FR4和金屬基板這兩種類型，前者具有便于走線和雙面布線等優(yōu)勢，其劣勢在于散熱性能較差，很少應(yīng)用于大功率LED中。

FR4板中增加過孔提升散熱性能

當(dāng)然FR4板可以通過垂直方向的散熱過孔將熱量導(dǎo)入下端的銅箔，加大散熱能力，但是由于過孔中銅箔含量很低，提升能力后仍然遠(yuǎn)不及金屬基板，所以應(yīng)用在小功率的情況下居多。

和FR4正好相反，大功率LED使用比較廣泛的金屬基板之一，鋁基板使用比較廣泛，它具有金屬基材導(dǎo)熱性高的優(yōu)點(diǎn)，能在第一時間從熱源導(dǎo)出熱量，缺點(diǎn)是僅能單面安排線路，造價較高，為遠(yuǎn)近光此類大功率模組之優(yōu)選方案。

PCB散熱示意圖（左側(cè)為FR4,右側(cè)為金屬基板）

由上面散熱示意圖不難看出金屬基板之所以具有優(yōu)越散熱能力，其根源在于基材具有高導(dǎo)熱性，因此較FR4更能增加底部熱傳導(dǎo)并更能充分利用PCB散熱面積。

值得注意的是同樣是金屬基板，由于不同廠家絕緣層的配方及切片工藝的差異，也會導(dǎo)致其散熱性能也有所差異。

金屬基板的結(jié)構(gòu)示意圖

3.導(dǎo)熱硅脂/導(dǎo)熱膠

由于實(shí)際產(chǎn)品在加工完成后,PCB與散熱器之間的貼合面，微觀上所貼合表面均為點(diǎn)接觸，與設(shè)計中理想狀態(tài)下的面與面之間的接觸有很大不同。設(shè)計最初目的是從PCB將熱量直接引入散熱器基面，實(shí)際產(chǎn)品粗糙接觸面造成大量空氣充滿接觸面，這些空氣構(gòu)成阻熱層使熱流不能移動到散熱器上，這時就需要一定的填充材料來排出兩者間的空氣，于是就出現(xiàn)了這些導(dǎo)熱填充材料。

微觀上理想和實(shí)際的零件接觸表面

填充導(dǎo)熱材料前后的熱流走向分布

導(dǎo)熱材料的工作機(jī)理都是一樣的，但是根據(jù)不同產(chǎn)品的實(shí)際需求，市場上主要有三種不同的類型產(chǎn)品：

1.導(dǎo)熱硅脂

導(dǎo)熱硅脂使用最廣泛，又稱散熱膏，導(dǎo)熱膏等，屬于高導(dǎo)熱絕緣有機(jī)硅材料。導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱率高、導(dǎo)熱性優(yōu)良、電絕緣性好、使用溫度范圍大、使用穩(wěn)定性好、稠度小、施工性能優(yōu)良。

在實(shí)際運(yùn)用中主要應(yīng)用在零貼的兩個零件之間，盡可能的擠壓出零件之間的空氣間隙，達(dá)到最佳的熱傳導(dǎo)狀態(tài)。但是眾所周知含硅產(chǎn)品都離不開揮發(fā)的問題，到了一定使用壽命后，導(dǎo)熱硅脂會固化產(chǎn)生間隙，導(dǎo)熱性能大打折扣。

2.導(dǎo)熱硅膠

導(dǎo)熱硅膠的問世避免了導(dǎo)熱硅脂蒸發(fā)的問題，還具有導(dǎo)熱硅脂其他的優(yōu)點(diǎn)。導(dǎo)熱性能優(yōu)良，固化導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)1.1-1.5W/mK,對電子產(chǎn)品散熱系數(shù)有較高的保證。同時具有優(yōu)越電氣性和耐老化，抗冷熱交變等特點(diǎn)，提高了產(chǎn)品使用壽命。具有一定粘接強(qiáng)度，特別是與電子元件，鋁,PVC\PBT塑料附著力好，密閉性及粘接性好。因?qū)峁枘z能固話，不會出現(xiàn)導(dǎo)熱硅脂揮發(fā)龜裂等現(xiàn)象，適用于對產(chǎn)品使用壽命有所要求。

3.導(dǎo)熱墊片

導(dǎo)熱墊片具有一定的柔韌性、良好的絕緣性、壓縮性、專門為利用縫隙傳遞熱量的設(shè)計方案生產(chǎn)。能夠填充縫隙，完成發(fā)熱部分與散熱部分的熱傳遞。導(dǎo)熱墊片多數(shù)用在燈具中的驅(qū)動電路板設(shè)計，及部分中功率FR4電路板，同時對電路保護(hù)有一定要求的情況。在遠(yuǎn)近光的發(fā)光模組中運(yùn)用較少，因?yàn)榇蠊β誓＝M在熱設(shè)計中盡可能減少間隙，不適用與導(dǎo)熱墊片的使用。

4.散熱器

散熱器應(yīng)該是整個模組設(shè)計中最重要的環(huán)節(jié)，在這個設(shè)計環(huán)節(jié)中需要確認(rèn)散熱器工藝形式，散熱器形狀及評估是否需要配備風(fēng)扇。下表介紹了常見散熱器工藝差異。

除此之外，散熱器設(shè)計中的葉片高度、長度、周圍空氣的流速都對LED模組的溫度有一定影響。下面就圖示經(jīng)典散熱器的關(guān)鍵尺寸簡單分析各參數(shù)對散熱性能的影響：

典型的散熱片設(shè)計

從上圖中可看到，散熱面積隨翅片高度增加而進(jìn)一步擴(kuò)大，而熱源處溫度則繼續(xù)降低。但要注意溫度變小并非線性，翅片高度超過80mm時溫降變得極不明顯。這時盲目提高翅片的高度毫無意義。

在長度方向增加長度同樣是增大了散熱器的散熱面積，達(dá)到一定的降溫效果。但是到達(dá)一定長度后，溫度有所升高。由于散熱器處于自然對流狀態(tài)時，空氣流速由溫差來推動，速度均較小屬層流，由流體力學(xué)學(xué)習(xí)到的知識可知層流具有清晰的邊界層，隨散熱器長度增大，邊界層厚度不斷積累，厚度到達(dá)翅片之間縫隙后空氣就不能流通，散熱性能卻下降。因此，當(dāng)設(shè)計過程中碰到長度方向較大的散熱器時，通常都是將翅片以某一區(qū)間進(jìn)行中斷處理，使之邊界層積累受阻，散熱性能無法得到充分地發(fā)揮。

最后一幅圖就是溫度和流速之間的關(guān)系，可見流速由0.5m/s變?yōu)?m/s時，溫度將大幅度下降近50%，但隨風(fēng)速進(jìn)一步增大，溫降作用并不明顯。由這一規(guī)律可得：車燈散熱設(shè)計時是否有風(fēng)扇存在的溫度相差較大；風(fēng)量規(guī)格不同的風(fēng)扇，其溫度差異也就沒有質(zhì)的區(qū)別。