基于熱電分離式理念的LED車燈光源的開發(fā)

秦典成，陳愛兵，肖永龍

(樂健科技(珠海)有限公司，廣東省LED封裝散熱基板工程技術(shù)研究中心，廣東 珠海 519180)

引言

隨著節(jié)能環(huán)保的綠色生態(tài)理念日益深入人心，作為新一代光源的LED，以其綠色環(huán)保、能耗低、響應(yīng)快速、性能穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)點而受到各國政府的高度重視，成為了照明光源的理想選擇[1，2]。同時，LED也憑借其自身的諸多優(yōu)點迅速在各個行業(yè)領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用，汽車行業(yè)便是其中之一。

近年來，隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對汽車燈具提出了美觀化、節(jié)能化與智能化的綜合要求。自汽車燈問世以來，大致經(jīng)歷了乙炔燈、白熾燈、鹵素?zé)?、疝氣燈及LED燈等五個發(fā)展過程，其中鹵素?zé)敉ㄟ^在充氣的白熾燈中加入了鹵素而制成，以構(gòu)造簡單、成本低廉、亮度容易調(diào)整和控制、顯色性好等優(yōu)點成為目前應(yīng)用最為廣泛的車燈光源。鹵素?zé)舻脑硎且揽挎u絲發(fā)光，同時利用鹵循環(huán)原理，在燈管里面加入鹵元素以降低鎢絲的氧化速度。而LED車燈光源則是利用LED作為光源制作而成，與傳統(tǒng)的車燈光源相對比，具有使用壽命長、體積小、耗能低、響應(yīng)快、設(shè)計靈活及品位高等一系列優(yōu)點，不僅可最大限度地提高LED燈具的封裝密度，而且因其顏色識別度較高，可為駕駛?cè)藛T提供舒適的視覺體驗，正逐漸成為世界各主要發(fā)達(dá)國家所爭相研究的熱點[3-5]。

在LED替換傳統(tǒng)車燈光源的進(jìn)程中，其散熱問題成為了不容忽視的技術(shù)瓶頸[6，7]。良好的散熱管理可使LED車燈光源的結(jié)溫得到大幅下降，改善其光電性能，從而達(dá)到增強其性能穩(wěn)定性并延長其使用壽命之目的[8，9]。本文基于熱電分離式設(shè)計理念，開發(fā)出一種具備良好散熱性能的LED車燈光源。并通過對鹵素?zé)襞cLED燈的光、電、熱性能進(jìn)行對比研究，定量說明LED燈在汽車照明領(lǐng)域相對于鹵素?zé)舻木薮髢?yōu)勢，并從理論上探討二者性能差異的形成原因，為實際照明工程應(yīng)用提供技術(shù)參考，以期在解決好LED散熱問題的前提下，加速LED車燈光源對傳統(tǒng)汽車照明光源的替換進(jìn)程。

1 LED車燈光源的設(shè)計

圖1是LED車燈光源的結(jié)構(gòu)圖，由LED模組、散熱體和外接驅(qū)動組成。圖2是LED車燈光源模組的橫截面切片，從圖中可以看出，模組由熱電分離式銅基板及LED燈珠所組成。所謂熱電分離，即散熱基板上的導(dǎo)熱焊盤與電極被絕緣材料所隔離，導(dǎo)熱焊盤專司散熱，電極主要起導(dǎo)通作用。在熱電分離式銅基板中，散熱凸臺(導(dǎo)熱焊盤)通過蝕刻金屬基座而制得，是LED燈珠的安放點。銅箔(線路層)、絕緣層及凸臺通過層壓工藝實現(xiàn)有機結(jié)合，最后利用圖形轉(zhuǎn)移的方法完成絕緣層表面的線路(電極及其它導(dǎo)電圖形)制作，賦予散熱基板電氣連接性能。

圖1 LED車燈光源及熱電分離式銅基板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural representation of LED automobile lamp and thermoelectric separation substrate

圖2 PHOTUM HB3(9005) LED車燈光源Fig.2 PHOTUM HB3(9005)LED automobile lamp

2 實驗部分

2.1 實驗原料及儀器設(shè)備

原材料: PHOTUM HB3(9005) LED車燈光源[圖2(a)]、OSRAM HB3(9005)鹵素?zé)鬧圖2(b)]。

儀器設(shè)備: 伏達(dá)UI2058電源綜合性能測試儀、積分球系統(tǒng)(遠(yuǎn)方2 m積分球&HAAS—2000光譜輻射計)、力茲LEDT-300B結(jié)溫測試儀、快速溫度變化實驗箱(GWS TSG)。

2.2 實驗過程

參照IEC62384:2006標(biāo)準(zhǔn)，利用電源綜合性能測試儀對鹵素?zé)襞cLED車燈光源的電性能參數(shù)(電壓、電流、功率、功率因數(shù))進(jìn)行測試；參照EIA/JESD51-1標(biāo)準(zhǔn)，利用電壓法借助結(jié)溫測試儀對LED車燈光源的結(jié)溫進(jìn)行測試，同時設(shè)置環(huán)境溫度為30±2 ℃，設(shè)置電流為1.2 A(直流)；參照GB/T 24824—2009標(biāo)準(zhǔn)，利用積分球系統(tǒng)對LED與鹵素?zé)舻墓鈱W(xué)性能(光通量、光功率、光效、主波長、色溫等)進(jìn)行表征，同時設(shè)置環(huán)境溫度為25±1 ℃；參照IEC 60068相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)環(huán)境溫度為65 ℃時，設(shè)置工作時間為6 000 h，每1 000 h利用積分球系統(tǒng)對LED車燈光源進(jìn)行光通量測試，并根據(jù)測量結(jié)果計算其光通量衰減量；參照GB 25991標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置循環(huán)開始溫度為20 ℃，升降溫速率0.6～5.0 ℃/min，在-40 ℃時保溫2 h后點亮，然后再在85 ℃時保溫2 h后滅燈，如此反復(fù)100 cycle后，檢查LED車燈光源工作狀態(tài)，并根據(jù)結(jié)果判定其可靠性。

圖3 OSRAM HB3(9005)鹵素?zé)鬎ig.3 OSRAM HB3(9005) halogen lamp

3 分析與討論

如表1所示，LED與鹵素?zé)舻妮斎腚妷壕鶠?2 V(直流)，輸入電流分別為2.13 A和4.54 A，總功率分別為54.5 W和25.53 W。由此可以看出，LED燈的能耗僅為鹵素?zé)舻?6.84%。

表1 LED與鹵素?zé)舻碾妳?shù)測試結(jié)果Table 1 Electrical parameters of PHOTUM HB3(9005) LED automobile lamp and OSRAM HB3(9005) halogen lamp

圖4是利用結(jié)溫測試儀對LED整燈的結(jié)溫測試曲線，根據(jù)曲線可知，當(dāng)環(huán)境溫度為30±1 ℃，恒定電流為1.2A(直流)時，LED的結(jié)溫為118.59 ℃，這一溫度在LED所允許的范圍之內(nèi)。一般地，LED光電轉(zhuǎn)化效率僅為20%～30%，剩余部分的電能轉(zhuǎn)化成熱量在PN結(jié)附近聚集，如果不能將這部分熱量及時傳送出去，那么將會造成結(jié)溫升高、波長紅移、壽命減少、穩(wěn)定性下降等一系列的嚴(yán)重后果，過多的熱量還會導(dǎo)致PN結(jié)直接燒毀[10-11]。因此，如何解決好LED的散熱問題對拓展其應(yīng)用范圍有著十分重要的意義。普通金屬基板(MCPCB，Metal Core Printed Circuit Board)因絕緣層熱阻過大，基板整體導(dǎo)熱率一般在2 W/(m·K)以內(nèi)，根本無法滿足功率為25 W的LED散熱管理需求[12]。PHOTUM HB3(9005) LED車燈光源使用熱電分離式銅基板取代普通MCPCB作為散熱基板，散熱凸臺直接貫穿絕緣層作為了LED的安放點，PN結(jié)所產(chǎn)生的大部分熱量可以通過散熱凸臺快速沿著厚度方向傳導(dǎo)，將LED結(jié)溫控制在合理范圍之內(nèi)，較好地解決了LED的散熱問題。

圖4 LED結(jié)溫測試曲線Fig.4 LED junction temperature curve

圖5 LED與鹵素?zé)艄庾V圖與色品圖Fig.5 Spectrum chromaticity diagram and chromaticity diagram

圖5(a)是LED的光譜及色品圖，其波長為380～780 nm，均在可見光范圍之內(nèi)；圖5(b)為鹵素?zé)舻墓庾V及色品圖，其部分光譜在380～780 nm的可見光波長范圍之內(nèi)，而另外一部分光譜則在可見光波長范圍之外，且含有少量的紫外成分及大量的紅外部分。經(jīng)觀察可以發(fā)現(xiàn)，鹵素?zé)舻纳珳貫? 976 K，對應(yīng)光的顏色為黃色。而LED色品圖中的色溫為5 690 K，對應(yīng)光的顏色為白色，顯然更適用于汽車燈的照明。結(jié)合積分球系統(tǒng)所測得的其它參數(shù)，鹵素?zé)襞cLED燈的光色參數(shù)如表2所示。從表2中可以看出，LED的光通量為2 052 lm，鹵素?zé)舻墓馔繛?88.2 lm，前者是后者的2.6倍；LED的輻射通量為6.475 W，鹵素?zé)舻妮椛渫繛?.843 W，前者是后者的1.34倍；LED的出光效率為80.36 lm/W，鹵素?zé)舻某龉庑蕿?4.46 lm/W，前者是后者的5.56倍。這說明LED在能耗低于鹵素?zé)舻那疤嵯拢瑓s能獲得較高的能效。

表2 LED與鹵素?zé)舻墓鈱W(xué)特性Table 2 Photometric characteristics of PHOTUM HB3(9005) LED automobile lamp and OSRAM HB3(9005) halogen lamp

表3是光通量衰減測試結(jié)果。據(jù)表可知，當(dāng)環(huán)境溫度為65 ℃時，LED車燈光源經(jīng)點亮6 000 h后，光通量維持率均在100%以上，這從側(cè)面說明了LED車燈光源在使用熱電分離式銅基板散熱之后，LED的結(jié)溫得到了有效地控制，幾乎不產(chǎn)生光衰。

表3 LED車燈光源光衰測試結(jié)果Table 3 Light failure test result of PHOTUM HB3(9005) LED automobile lamp)

圖6(a)是LED車燈光源的冷熱循環(huán)試驗的溫度隨時間的變化曲線，圖6(b)說明了在歷經(jīng)100 cycle的冷熱循環(huán)后，LED車燈光源仍然能夠正常工作，這意味著熱電分離式銅基板能夠?qū)ED進(jìn)行有效的散熱管理，賦予了其良好的可靠性，能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境下的使用要求。

圖6 PHOTUM HB3(9005) LED車燈光源冷熱循環(huán)測試結(jié)果Fig.6 Thermocycling test result of PHOTUM HB3(9005) LED automobile lamp

造成LED較之鹵素?zé)粜阅芨鼉?yōu)異的原因除了二者的發(fā)光機理不同之外，另一個很重要的原因還取決于LED散熱管理方案的合理性。在熱傳導(dǎo)過程中，熱量的傳遞主要依靠熱載流子來完成，在固體材料中的熱載子主要有分子、電子、光子和聲子。研究表明，合金材料中的熱載子主要是電子和聲子(晶格振動)，非金屬固體材料中的導(dǎo)熱載體主要是聲子。因此，就熱電分離式銅基板而言，散熱凸臺主要依靠電子和聲子實現(xiàn)熱傳導(dǎo)，絕緣層部分則主要依靠聲子進(jìn)行熱傳導(dǎo)。在銅合金內(nèi)部，雖然由電子和聲子的共同參與實現(xiàn)熱量的傳輸，但在銅合金-絕緣層界面處，電子穿越界面的機率很小，熱傳導(dǎo)主要還是通過聲子來實現(xiàn)。同時，由于界面處通常是各類缺陷和雜質(zhì)的聚集地，會引起聲子散射，從而對熱流的傳播起到一定的阻礙作用，并因此形成界面熱阻[16，17]。這樣，在水平方向上，散熱凸臺與絕緣層所接觸的的地方，只有少量的熱流穿越界面擴(kuò)散出去，而大部分熱流則會因界面熱阻的存在被限制在銅合金-絕緣層界面范圍之內(nèi)，只能通過基板厚度方向上的散熱凸臺進(jìn)行熱傳導(dǎo)。與普通的MCPCB不同，熱流在熱電分離式散熱銅基板中可直接沿銅制散熱凸臺進(jìn)行傳導(dǎo)，且在厚度方向上無需流經(jīng)絕緣層而直接傳播到外部熱沉，這樣就大大增強了基板的散熱能力，將大功率LED車燈光源的結(jié)溫控制在合理范圍之內(nèi)，從而獲得了極佳的綜合性能，為LED車燈光源全面取代鹵素?zé)籼峁┝丝煽康募夹g(shù)保障。

4 結(jié)論

基于熱電分離式設(shè)計可獲得散熱效果極佳的基板材料，從而對大功率LED進(jìn)行良好的散熱管理，并以此全面提升LED的綜合性能，獲得能耗低、光通量大、光功率與光效高的汽車照明用LED燈具，形成一種全面取代鹵素?zé)舻钠囌彰鞴庠锤咝Х桨?，加快車燈光源的升級換代進(jìn)程。