眾所周知，半導體材料在工作時受環境溫度影響較大。大功率LED的光電轉換效率更低，工作過程中只有10%～25%的電能轉換成光能，其余的幾乎都轉換成熱能。加之汽車前大燈安裝在炙熱的發動機艙內，高溫水箱、引擎、排氣系統所產生的熱將LED前大燈置于嚴酷的環境中。傳統車燈燈泡所產生的熱遠高于LED，但燈泡輸出的亮度不會因為熱而變化，其熱設計的重點是殼體內的均溫設計。而LED的光輸出卻會因為自身的熱或來自發動機艙的高溫而影響本身PN結溫穩定，LED光通量ФV和波長等重要參數受到PN結溫的直接影響，這種不良的溫度循環將導致發光效率和壽命急劇下降。因此散熱成為LED作為光源設計的重要課題。
1、汽車前大燈的散熱技術
1.1 被動散熱與主動散熱
通常LED汽車前大燈散熱技術散熱設計中，焊裝大功率LED的電路板被緊緊固定在散熱器上。LED工作時所產生的熱量通過傳導方式經由電路板被傳導到熱傳導率較好的鋁質散熱器上。鋁質散熱器的翼片與空氣大面積接觸將熱散發開來。為了有效地減小散熱器和電路板之間的熱阻，其間填充了導熱介質。選用的散熱器其翼片形狀和面積是可以滿足LED大燈散熱方案的設計。這種散熱方式我們稱之為被動散熱[2]。
主動散熱常用液冷、熱管、風冷等方式。由于液冷使用的液體必須在泵的帶動下強制循環帶走散熱器的熱量，熱管則依靠高導熱性能的傳熱元件在全封閉真空管內的液體的蒸發與凝結來傳遞熱量，二者都不適合車燈內使用。風冷散熱具有價格較低、安裝簡單等優點最為常用。針對被動散熱方式存在的散熱器中心區域溫度相對集中的情況，加裝風扇強制對流后(見圖1)，對緩解散熱器溫度不均勻有明顯效果。
1.2 LED散熱通道設計
圖1：加裝風扇后強制對流
通常LED被焊在雙面敷銅層的印制板(PCB)上[1]，LED的底面與PCB的敷銅面焊在一起，為提高散熱效率，以較大的敷銅層作散熱面。這是一種最簡單的散熱結構[3]。
本文研究的汽車前大燈用LED是目前OSRAM公司最大功率的一種LEUMD1W4[3]；管芯散熱設計選用了一種更利于散熱的LE3S封裝[1]。這種封裝的特點是，以面積較大的銅合金散熱墊為基座，管芯固定在基座中央。同時將LED基座與鋁基板接觸區域的絕緣介質剝離，使銅合金基座與鋁基板直接接觸。基座上的熱直接傳導至LED的外部。這種內部結構去處了管芯和基座之間的介質減少了熱阻，更直接地將管芯的結溫導出(見圖2a)。
圖2 ：汽車大燈用L ED、等效熱阻散熱路徑圖
本文研究的LED汽車前大燈主要散熱路徑是：管芯→銅合金基板→鋁基板→散熱器或機殼→環境空氣，(見圖2b)。若LED的結溫為TJ，環境空氣的溫度為TA，散熱墊底部的溫度為Tc(TJ>Tc>TA)，在熱傳導過程中，各種材料的導熱性能不同，即有不同的熱阻。管芯傳導到散熱墊底面的熱阻為RJC(LED的熱阻)、散熱墊傳導到PCB面層敷銅層的熱阻為RCB、PCB傳導到環境空氣的熱阻為RBA，則從管芯的結溫TJ傳導到空氣TA的總熱阻RJA，RJA與各熱阻關系為：RJA=RJC+RCB+RBA，銅合金基板和鋁基板導熱性能接近且熱阻小，其導熱性能就好，即散熱性能也越好[2]。該散熱結構的總熱阻比常規結構減少近26%。
2、車燈環境的系統設計
由于現階段的LED的輸出光通量低，僅汽車近光燈就需要1000lm以上。考慮到汽車前大燈的配光要求以及電學、光學參數的穩定性，LED應用于汽車前大燈常需要集幾顆甚至幾十顆LED元件于一塊模組中，才能滿足車燈法規所需的要求。目前，我們針對O2star[1]和X2lamp產品的類似封裝進行配光設計。其中OSTAR4chip車燈專用的LEUMD1W4[3]單只LED輸出光通量大于350lm，陣列3只這種LED即可滿足車燈1000lm的基本要求。
(1)擴大散熱面積提高傳導效率。在LED汽車前大燈近光單元設計中，3顆大功率LED陣列在鋁基板上。這種緊密排列的大功率LED熱量的高度集中和散熱難度可想而知。試驗樣件的做法是鋁基板與散熱器緊密貼合固定。二者之間的填充了性價比較高且使用簡單的導熱硅脂，在整個散熱系統中，硅脂層其實是散熱關鍵之所在。目前主流導熱硅脂的導熱系數均大于1W/m·K，優質的可達到6W/m·K以上，試驗選擇了性價比較高導熱率達到4。4W/m·K的TG2244導熱硅脂。
圖3：風冷和外置散熱（點擊圖片放大）
(2)強制對流提供與外界空氣熱交換。在散熱片的背面加裝風扇促使強制空氣流動。風扇加速了散熱片的熱交換的同時，流動的空氣也直接從PCB板上帶走了部分熱量。由于燈體的狹小且密封，與外界的空氣對流幾乎不可能。圖3a所示風冷結構中風扇的強制對流可以緩解散熱器中心區域與周圍環境的溫度不均勻，使燈體內部和燈體外殼的溫度盡量接近。有助于將內部的熱通過外殼和外置散熱器傳導出去。
(3)散熱器部分外置。根據發動機艙內的分布及燈體安裝的空間大小，將燈體散熱器設計為內置和外置二個部分，如圖3b所示。外置散熱器設計在燈殼的上緣。內置LED產生的熱由內置散熱器傳導到外置的散熱片上，再通過對流散熱。考慮到燈光通常在行駛時開啟，發動機艙受到強對流風冷的作用，溫度相對較低。加之車燈外殼上緣恰好暴露在車前蓋的縫隙處，車輛行駛時車蓋縫隙導入的氣流流經外置散熱片的翼片，外置散熱器受到空氣的風冷。外置散熱器對燈內的降溫發揮了很好散熱作用。
3、試驗方法和數據
3.1 試驗設置和設備
根據理論設計、數據仿真，制作了試驗模型和LED前大燈工作樣件。樣件制作要求盡量接近目標產品，以求研究成果更快更好地轉換為產品。燈體內分別安裝了以LED為光源的遠光燈、近光燈以及轉向燈、位置燈。測試觀察的重點是燈體內部溫度對光衰的影響。
主要測試設備為遠方光電信息有限公司的YF1000光色電綜合分析系統、車燈配光自動測試系統以及多點溫度檢測儀等專用設備。測試點分別是：車燈照度、光型、LED光源溫度、PCB溫度、散熱器溫度以及燈腔不同位置的溫度梯度[4]。設備具有自動記錄和數據預置功能，以驗證散熱與光衰的關系。
3.2 試驗數據
圖4是LED光源溫度與光衰在不同的散熱方式下的關系曲線。圖中可見僅PCB散熱、加散熱器的被動散熱和強制對流的主動散熱3種不同散熱設計存在相當大的差異。后二種在105℃時，基本上能夠提供80%以上的出光率。
圖4：散熱效果不同對光衰的影響
一般功率器件(如電源IC)散熱計算中，只要結溫小于最大允許結溫溫度(一般是125℃)就可以了。但在大功率LED散熱設計中，其結溫TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ對LED的出光率及壽命有較大影響，TJ越高會使LED的出光率越低，壽命越短。OSTAR公司給出的大功率白光LED的結溫TJ在亮度衰減70%時與壽命的關系，如圖5所示。
圖5：OSTAR公司LED結溫影響壽命圖
我們對圖3b所示的前大燈樣件做了不同條件下的光衰測試，試驗建立在LED散熱良好的基礎上，模組安裝在大燈封閉殼體內，溫度檢測點在LED光源附近。試驗數據采集時的環境溫度是在燈體外部施加的。試驗結果表明環境溫度60℃時，光衰緩慢；100℃時，光衰加劇(見圖6)。
圖6：不同溫度環境下LED的光衰
4、結論
LED自身的PN結產生的結溫升高，使LED的光衰加劇、發光效率受到影響，壽命變短。應用LED作為汽車前大燈光源時，通常會采用多個LED芯片陣列設計。因此在LED前大燈樣機設計中，首先做好LED散熱設計使結溫受到控制之后，根據LED大燈的運行環境，控制驅動功率和溫升，大功率LED小于80%的光衰和3000h的壽命才能得到基本保障。LED汽車前大燈產品才有廣泛的市場前景。