导热脂对LED前照灯散热影响及热阻研究

蒋敏，昌进

(常州星宇车灯股份有限公司, 江苏常州 213022)

0 引言

随着车载LED前照灯应用普遍，它的热管理受到更广泛的重视。有关研究[1-2]表明，大功率的LED模组结温的升高会导致发光波长漂移、光效下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题，因此LED前照灯散热是车灯设计过程的重要环节。按照散热方式可分为主动散热和被动散热，主动散热包括风冷散热、热管散热等；被动散热包括散热器、导热脂、石墨等。目前应用较广泛的主要有两种：第一种是只有散热器被动散热，第二种是散热器与风扇主动散热相结合。对于LED车灯，良好的热管理取决于LED热阻、LED贴片技术、线路板散热性能、导热脂性能、散热器设计、风扇性能等。

线路板与散热器之间的界面热阻较大，因为两者界面的表面在微观上粗糙不平，即使表面接触压力高达10 MPa，其实际接触面积仅占1%～2%，其余部分充满空气孔隙，不利于热量传递[3-4]。因此更优的散热器连接技术对热量管理起着关键性作用。选择合适的导热脂，能有效降低系统热阻，并能减少LED前照灯散热器的质量。导热脂种类较多，按是否有黏性可分为导热胶和导热硅脂。导热胶有黏性，黏连性较好，导热系数较低；导热硅脂无黏连性，导热系数较高。一般来说，导热硅脂的导热性能更好。

1 仿真模拟

1.1 仿真模型

文中以某前照灯LED近光模组为例，先对模型上不影响计算结果的微小结构及部件进行几何清理，然后利用ANSYS ICEM对灯具进行网格划分。

1.2 仿真结果

利用ANSYS Fluent对划分好网格的模型进行仿真模拟，对导热脂设置不同的热系数及厚度，模拟温度分布如图1所示。

模拟得出LED的焊点温度Ts，再通过数学公式计算LED结温。其计算公式：

Tj=Ts+Pth·Rthjs

(1)

式中：Ts为LED焊点的温度；Pth为功率；Rthjs是指结点到PCB的热阻。

表1是不同导热系数的LED模拟温度，结果表明：仿真模拟中导热脂的导热系数及厚度对LED结温影响较小。

LED型号导热系数/(W·m-1·K-1)导热脂厚度/μmLED焊点温度Ts/℃LED结温/℃Altilon PNP3.110068881.910069891.9200719131006888

2 实验测试

2.1 测试条件

实验室环境温度为25 ℃，在LED模组上布置K型热电偶传感器，如图2所示。

2.2 测试结果

在同一个LED芯片和散热器之间，用丝网刷涂覆不同型号的导热脂，并且布置热电偶测试温度。其中丝网厚度为100 μm，测试结果如表2所示。

表2 不同导热系数的LED温度测试结果

结果表明：导热脂厚度越厚，导热效果越差，LED结温越高。

3 热阻测试

将LED近光模组内部结构简化，简化模型如图3所示。

LED结温计算公式：

Tj=Ta+Pthermal·Rthja

(2)

Rthja=Rthjb+Rthbh+Rthha

(3)

式中：Rthja为结点到环境的热阻；Rthjb为焊点到线路板的热阻；Rthbh为线路板到散热器的热阻；Rthha为散热器到环境的热阻。通过环境温度、系统热阻及LED功率，可以直接计算出LED结温。

根据JESD51标准，采用T3ster仪器测量，通过结构函数得出系统热阻及上述分段热阻，可有效检测热失效位置，比如芯片引脚焊接失效或贴片不良、线路板、LED老化等问题，能有效评估系统散热性能，并且直接测量出LED结温。

在同一LED模组上分别涂覆G777、3466、XG 3种导热脂，利用T3ster仪器测试系统热阻。测试结果如图5—图7所示。表3为不同导热系数的LED温度测试结果。

LED型号导热脂型号导热系数/(W·m-1·K-1)导热脂厚度/μm系统热阻/(K·W-1)LED结温/℃Altilon PNPG7773.11003.4828834661.9约200(手工涂覆)4.563108XG31003.68392

从表3可以看出：导热脂对LED模组系统热阻影响较大，厚度较厚且导热系数较低的导热脂，系统热阻较高，LED结温较高。

4 结果分析

作者从软件模拟仿真、实验间接测试、T3ster直接测量3个方面研究了导热脂对LED前照灯散热的影响。表4是仿真模拟、实验测试及T3ster结果对比表。

表4 仿真模拟、实验测试及T3ster结果对比表 ℃

一般来说，导热系数高的导热脂，系统热阻值低，散热效果好，但导热性能不仅与导热系数有关，与导热脂的厚度以及散热器的吸附性都相关。厚度较薄，填满空气间隙即可，吸附性较好的导热脂导热效果更好。

5 结语

文中主要研究导热脂对LED前照灯散热的影响，从CAE仿真模拟、实验测试对比，以及散热系统热阻测试3个方面进行分析。建立了某前照灯LED近光灯模组的有限元模型，通过仿真软件ANSYS Fluent进行模拟分析，并且将模拟温度值与测试值进行对比，通过T3ster仪器直接测量LED的结温及系统热阻。得出了仿真计算导热脂的导热系数对系统散热影响较小，实际应用测试导热脂对LED模组散热有一定影响。总的来说，导热脂的导热系数越高、涂覆厚度越薄、吸附性越好，导热性能越好。文中的研究结果对LED灯具热量管理提供一定的参考。