汽车室內LED灯的散热分析技术

汽车的内、外使用许多照明元件，最近几年汽车的照明元件光源也掀起LED化热潮，例如汽车的大灯与尾灯已经採用LED光源。虽然尾灯使用低功率LED，不过市场很早就出现LED尾灯製品，紧接着车用照明的LED化浪潮也开始袭捲车内灯，一般认为不久将来车内灯、地图灯、仪錶板、指示器、警告器，等车用照明光源势必全面LED化。

LED照明的课题主要是发光部的温升，极易造成光束减少、色温变化、短寿命化等性能降低现象，为防止这些现象即使车用室内灯，也要求一般LED照明同等级的效果性冷却。传统LED照明使用自然空冷时，大多使用散热鳍片等低价元件，然而设计上必须考虑的变数，例如LED的发热量、模组的设置方法、周围温度、设置空间非常多，因此试作次数有增加趋势。

最近几年为减少试作次数与实验花费的工时，在设计的上游段阶经常利用热流体模拟分析预测散热效果，以往只被当作补助性质使用的热流模拟分析，目前反而变成基本设计必要的支援工具。接着本文介绍车用LED室内灯试作品的评鑑结果，同时透过与热流模拟分析结果的比对，验证模拟分析的实用性。

散热设计

照片1是车用LED地图灯模组实际外观，它分成3大部份，中央是使用传统小灯泡的室内灯，左右则採用LED光源构成地图灯，由于地图灯的照射範围很狭窄，因此使用输出功率很低的白光LED。虽然车用LED室内灯发热量比LED大灯与尾灯小，不过设置场地是车内天花板狭窄空间，因此必须在天花板与车体之间仅有的空间进行散热。一般发热量很大的LED直接装设在散热鳍片散热，驱动电路则设置在其它地方居多，LED车内灯的场合，使用少数低输出功率LED，因此LED可以直接装设在驱动电路基板上。

图1是LED地图灯的模组结构，它是由兼具固定支架功能的散热鳍片、封装LED的电路基板、附设镜片的树脂外罩构成。本试作品使用2个接点温度Tj最大值130℃的表面封装型LED，表面封装型LED小型、散热性优秀，适合当作设置空间受限的室内灯光源使用。

LED产生的热几乎都透过热传导，通过散热鳍片内部再从散热鳍片释放到空气，封装LED的电路基板背面，设置厚1mm热传导膜片，最后再固定在铝质散热鳍片。由于密闭空间内散热不充分，因此车用室内LED灯体内部的地图灯背面设有开口部，从该开口部散热鳍片与室内灯外部空气接触进行散热。一般LED的红外线放射量非常少，如图2所示几乎所有热都是从发热部通过固体内部，再从散热鳍片释放到空气，为了抑制LED的接点温度Tj，必须减少各构成元件的热阻抗，同时作散热鳍片作最佳化设计。

本试作品的电路基板设有电阻等元件会发热，电路基板再以树脂罩盖住，包含LED在内的热，必须效率性传导至电路基板背面，电路基板使用FR4材质。

LED的热计算模型

LED的热流模拟分析工具，使用加拿大AYA Heat Transfer Technologies公司开发的「ESC/TMG」，与美国Siemens PLM Software公司开发的3次元CAD工具「I-deas」。类似LED热流模型简易形状可以利用I-deas製作，复杂元件形状的场合，必须将设计时使用的形状资料输入到I-deas，接着再组合变成热计算模型。此外为短缩模拟分析的计算时间，因此将计算模型简略化製成计算网，再赋予计算条件就能够立即执行模拟分析。

模拟分析结果检讨后需要再模拟分析时，在I-deas上可以修正计算模型的绝大部份，因此一直到执行为止作业工时非常少。进行LED热流模拟分析时，最重要是LED单体的热计算模型製作，不过几乎所有LED製品都不公开封装内部元件的尺寸，必要尺寸与各部位的形状，必须利用显微镜与断面照片观察细部。製成的LED热计算模型与实物一样阳极上装设LED晶片，热除了从阴极传递到电路基板之外，还从阳极经过封装内部传递到杨极。此处假设连接各部位的金线造成的热移动很微量，因此忽略不计。

LED内部产生的热传递到电路基板上的铜箔，再扩散到模组整体。由于一般製作的LED热计算模型都被简化，或是含有各种假设，因此必须验证模型单体。此外为提升热流模拟分析的精度，包含车内灯LED用在内，大灯与尾灯用LED都必须进行单体模型验证。本实验只设置1个LED，接着利用FR4与铜箔构成的简易电路基板进行验证，具体步骤首先使用热电耦检测LED封装的温度，接着再与模拟分析结果比较。一般LED构成的照明机器进行温度检测时，必须等待各部位温度变成一定后才开始，因此环境温度、负载电力的初期设定会产生微小变化，为进行精确比较即使模拟分析，也是比照实际检测时的环境温度、负载电力。

检测时的环境温度为25.2℃、LED的负载电力为0.33W，在此条件下，LED封装阴极侧端部的温度实测值为45.2℃，相较之下模拟分析的计算值为46.4℃，证实模型的计算精度没有问题。LED厂商提供从阴极端部位一直到接点部位热阻抗相关资料，研究人员根据这些数据与负载电力两者相乘的积，立即获得一直到接点部位为止27.1℃的温升预测结果，它是加上阴极端部位温度45.2℃之后预测Tj为72.3℃。

LED单元的验证

接着介绍车用地图灯LED单元试作品的模拟分析，此处首先製作整体的热计算模型。基板部份製作固体模型，接着製作铜箔图案与热通孔内面的镀铜层厚度低于0.1mm的2次元图，LED以外的阻抗器等热源，则定义成设置面内的既定热源。LED单元的热计算模型，微小角落与曲折部位除外，几乎完全模拟实际试作品製作，基板与散热鳍片之间插入热传导膜片，由于不考虑固定螺丝锁紧压力造成的压缩，因此厚度变成无负载状态时的1mm。

一般相异元件接触部位都会有接触热阻抗，它也是造成温昇的塬因之一，本模型的LED基板、基板–热传导膜片、热传导膜片–散热鳍片叁处变成接触面，叁处的密着性都比固体接触高，因此模拟分析时不考虑接触面的热阻抗。

虽然试作品的电路基板表面涂佈阻抗剂，不过包含LED在内电路的热，透过铜箔图案与热通孔立即传递到基板背面，因此模拟分析同样不列入考虑。如上述开发LED照明机器时，只作不含LED灯体的LED单体验证，LED产生的热几乎都是通过固体内部，再从散热鳍片表面传递到空气，不会像其它光源局部性会使产生红外线的单元本身或是灯体变热，或是热放射到外部等等。

许多情况LED灯体只是单纯的树脂容器，热容量的大小随着容积增加，其结果造成LED单元周围的空气上升温度，因此LED单元装设至灯体时的温度，可以根据LED单元灯体的检测值，或是计算值作某程度的推测。此外LED单元灯体的场合，可轻易设置热电耦等温度检测感应器，利用热座标进行温度检测。

由于电路基板上产生的热都传递到散热鳍片，因此两个LED的温度不受其它热源影响，几乎是相同值。模拟分析使用上记验证LED单元时相同的条件，每个LED的负载电力为0.31W，假设其中的85%转换变成热，包含电阻在内的总发热量为1.29W、环境温度为24.6℃。

图3是去除树脂外罩时，LED单元的温度分佈结果，图中分别记载计算值与实测值。由图可知LED的阴极部位与基板背面温度差大约3℃，热透过热通孔传递到背面，LED的阴极部位与距离最远的散热鳍片的温度差大约5℃，包含两个LED在内的实验值与计算值的差低于1℃以下，证实不论是LED单元的计算模型或是LED单体模型，计算精度都没有问题。

车内灯整体的温度评鑑

最后针对LED车内灯进行实测与模拟分析的评鑑与验证。为进行LED车内灯的温度评鑑，首先製作照片2的试验设备。车内灯嵌在车内树脂天花板内，天花板内还装设类似车体屋顶的树脂板，因此LED产生的热透过散热鳍片，释放到2片树脂板之间的空间。试验必须以各种环境温度进行，因此上记试验设备的出射光朝下放置在恆温槽内。模拟分析必须準备室内灯试验设备的计算模型，该模型模拟右侧地图灯的点灯状态，因此只将右侧模型化。此外散热时只利用散热鳍片周围，研究人员认为减小试验设备的树脂板尺寸，可以抑制计算上要求的网数，同时还省略试验设备的外框。

如上述LED室内灯的试验是将试验设备设置在恆温槽内部进行，此时为降低内部搅拌用冷却风扇造成的循环气流影响，试验设备整体以纸箱包覆检测温度，循环气流通过试验设备下方的金属网，可能会影响室内灯的温度。通常循环气流的流速为3~5m/s，本试验以接近室内进行，冷却风扇造成的循环气流影响比较小，模拟分析分别以2m/s、3m/s、4m/s一样流速为条件进行试验结果比较。

计算条件与实测条件一样，假设每个LED1的0.30W负载电力的85%转换成热，包含电阻在内的总发热量为1.27W，环境温度28.7℃。图4是试验设备中央断面的模样，相较于阴极部位的温度，相当于循环流的一样流速与散热鳍片上方的空气流速会有影响。此外必须利用模拟分析检讨搅拌用冷却风扇造成的循环气流影响。

根据图4模拟分析结果(速度向量图)，研究人员调查试验设备中央断面部位，散热鳍片与树脂板(相当于车体的屋顶)挟持领域的空气速度，以及LED阴极部位的温度，环境温度与上记实验相同都是28.7℃。

实验实测的LED阴极部位温度为57.1℃，一样流速2m/s时LED阴极部位温度的计算值为58.7℃，3m/s时54.3℃，依此推测检测实测值 57.1℃时的循环空气流速，在2~3m/s之间的可能性很高。根据模拟分析结果可知，散热鳍片与树脂板的流速只有一样流速的3~4%，即使如此，它对LED阴极部位温度的影响很大，由于室内灯的树脂灯体热传导率很低，因此温度很高的领域，几乎都集中在散热鳍片周围。

根据57.1℃的阴极部位温度与0.30W得负载电力，推测LED的接点温度Tj为81.7℃，因此接点温度Tj最大许容值可以当作Tjmax，若是130℃就有48.3℃的温度，单纯计算环境温度一直到77.0℃还可以使用。此外在恆温槽试验温度有偏低检测倾向，因此适当的接点温度推测时，必须慎重考虑此问题。

结语

本文已介绍了车用LED室内灯试作品的热流模拟分析技术。汽车的照明光源正在进行LED化革命，然而要在车内天花板狭窄空间进行自然空冷散热，以往只被当作补助性质使用的热流模拟分析，目前反而变成基本设计必要的支援工具。因此一般认为未来设计段阶透过热流模拟分析，根本性解决问题的手法势必成为主流。