LED汽車大燈散熱問題全面剖析

長久以來，LED熱問題一直困擾著整個業界，而面對一個高成長車大燈市場，又不願錯過。接下來就共同探討，如何克服在車大燈小空間里的散熱問題，進而達到車燈國標50℃環境溫度下，最高結溫不可超過80℃。

目前汽車近光及遠光燈，設計上功率均集中在40~60W之間，而高端汽車達到80W以上，再加上示寬燈，方向燈等等，在超高功率下所產生的熱能，想不超過 80℃實屬不易，那麼要解決散熱問題，將是工程師的一道難題。

熱與空間密不可分，在空間大的條件下，可選擇最便宜的散熱解決方案。例如路燈，只要加大散熱鋁座就可以輕鬆地解決，但如果是手機加大後可能就沒人要了，如果不解決就會像拿了一塊燙手山芋，所以採用人工石墨散熱片將熱分散形成熱源周邊均溫化。

有了空間這個概念後，再了解發熱源與要求的上限溫度。發熱源是透過固體熱傳導將溫度傳到表面之後再傳到氣體，氣體對流慢且被動，所以先解決整體封裝材料及發熱源尤為重要。

大家熟知LED晶元是由電轉換成光，效率一般只有30%，其餘70%均變成熱，而熱不及時散出，就會導致光效下降。如圖1，汽車大燈所採用的CSP結構，在這個結構中有關係的，第一是多少瓦數產生多少熱量；第二是上下材料的導熱係數，這個因子影響整體的均溫性；第三是這些材料的厚度。表1是各種材料的導熱係數，有了這些概念後，可以開始解決散熱問題了。

圖1 CSP結構材料厚度

表1 封裝材料導熱佔比

汽車大燈雖然體積夠大，但留的散熱空間並不多，且在追求亮度下，越來越多車廠採用大功率及多顆數LED。燈珠的前方是留給光線及反射鏡，後方才能留做散熱用。最簡單有效的散熱方法是加裝風扇及熱導管，然而每增加一個零部件均有失效風險，還有成本問題，所以LED封裝均溫化就成為各廠家努力的方向。

均溫化是在小面積散熱最重要的課題，結溫又如何在最短的時間傳導出來。圖三為結溫與壽命的關係曲線。

圖2 結溫與壽命關係曲線

結溫又要如何不超過客戶的規範，以下是LED封裝用不同的驅動電流所作出的熱結構分析（如圖四），在電流150mA時，兩者溫差不大，導熱好的陶瓷熒光片比玻璃低了2.5℃，但電流達到800mA時，差距就拉開到20.1℃。

圖3 驅動電流150mA時兩種LED封裝溫度分布

圖4 驅動電流800mA兩種LED封裝溫度分布

由此推論導熱佔比，是解析LED散熱重要的方法，在小電流驅動下，溫度不會構成LED燈的淬滅及老化。但在高電流下溫度影響非常大。所以好的封裝材料，是成就高品質LED車燈最直接有效的方法。

將封裝層結構中材料做對比分析，發現晶元及熒光層材料對散熱佔比最高，而改變晶元影響的成本太大，更動熒光層材料相對更為划算。表2是熒光層材料對比分析。

表2 熒光層材料對比

汽車大燈散熱一般廠商只考慮晶元質量好壞，殊不知晶元也只是封裝材料之一，而國外廠商早已在基礎材料下足了功夫，一個燈珠的好壞，與散熱密不可分，而散熱的關鍵重點，在於材質及所佔比重。