LED汽车的设计的重点问题

众所周知，半导体材料在工作时受环境温度影响较大，特别是在材料工作的高温环境下。随着汽车市场的蓬勃发展，汽车LED大灯也逐渐替换卤素灯泡，成为新一代汽车的基本装备。从日间行车灯到近光灯、甚至远光灯，LED大灯已经无处不在。

图1：常见的汽车LED大灯

假设其中某一款的规格大致为：输入电压12/24V，功率35/45W，LM为2600-3600。为满足此规格，LED也必须采用大功率的产品。大功率LED的光电转换效率很低，工作过程中只有10%～25%的电能转换成光能，其余的几乎都转换成热能。另外，汽车前大灯一般都安装在炙热的发动机舱内，高温水箱、引擎、排气系统所产生的热将LED前大灯置于严酷的工作环境中。LED的光输出会因为自身的热或来自发动机舱的高温而影响本身PN结温稳定，LED光通量ФV和波长等重要参数受到PN结温的直接影响，这种不良的温度循环将导致发光效率和寿命急剧下降。因此散热成为LED作为汽车大灯光源设计的重要课题。

图2：汽车LED大灯的结构解剖图

图2中黄色的部分为大功率LED器件。从上图可以看出，大功率LED需要焊装到电路板上，然后紧紧固定在散热器上来进行散热。LED工作时所产生的热量通过传导方式经由电路板被传导到热传导率较好的铝质散热器上。铝质散热器的翼片与空气大面积接触将热散发开来。相关的热传导示意图如下。

为了有效地减小散热器和电路板之间的热阻，其间填充了导热介质。但电路板本身的导热系数，往往制约着整个系统的散热能力。传统的LED安装电路板是FR4材料，又称为环氧玻璃布层压板，其导热系数约为0.25～0.4W/M.K。正是由于其导热系数较低，大功率LED的热量无法有效的传递到外部的散热器上。针对这种要求，Rogers推出了92ML板材，该板材采用环氧树脂填充陶瓷，导热系数（Z轴）为2.0 W/m-K，是普通的FR-4材料的6-8倍。FR4和92ML板材的特性比较如下图。

为更加真实的展示92ML板材相对于FR4板材的良好导热特性，我们进行了相关的实验。

实验条件为：在92ML和FR4PCB板上焊接专用的片式发热电阻，在电阻的两端增加固定的恒流源，使其发热，一个小时后，用红外测温仪测试并记录其温度。

由上图可见，在外部环境相同的条件下，92ML系列板材和FR4板材相比，其顶面（Top）的温度可以降低约30℃，其底面（Bottom）的温度可以降低约37℃。

综上可知，92ML系列板材可以有效地降低汽车前大灯LED的结点温度，从而使LED的使用寿命和发光效率大大增加，特别适合在稳定性要求高、环境温度更加苛刻、密封的环境下使用。