90W 汽车LED 前照灯散热结构设

而该种工艺方案的弊端在于，回流焊过程中焊

膏溶化，贴装在焊膏表面的LED 芯片因缺少

定位支撑，液态焊膏表面张力与重力的共同作

用使得LED芯片发生不定向偏转或平面移动，

导致各芯片之间的相对位置发生较大的偏差，

从而影响整个LED 照明结构的光强分布。目

前较先进的是铜- 陶瓷复合基板，它可以实现

第一级热沉与陶瓷基板的集成；针对多LED

芯片则采用一次键合的方法，使多个LED 芯

片能同时与陶瓷基板实现键合，降低芯片与基

板的界面热阻，有利于芯片热量的散发，降低

芯片工作温度，提升可靠性；并提高各芯片之

间的相对位置精度，解决因芯片位置偏移导致

的色显不均匀的问题。

为提高LED 用作大功率照明时的光通

量输出，一般采用将数十个LED 串联或串并

兼具的方式，这就要求供给40-60V 的电源或

200mA 的恒流。而交流发电机发出的交流电

经整流后由电压调节器控制其输出电压的上下

限，使之维持在9-15V 上下，而且由于汽车电

力系统是由机械式发电，实际电压的波动性会

更大，如6V 的冷启动电压，40V 的瞬间电压，

这会影响LED 的正常发光，增加驱动电路这

一环节不可避免。

由于LED 发出的光呈兰伯特分布，故需

要将发出光经过二次光学设计，以避免光的严

重浪费。目前有一种技术正在成熟，它采用将

非成像光学理论、照明设计软件及计算机编程

想结合的方法，即根据非成像光学中的经典的

光学扩展度守恒及边缘成像原理得到透镜的曲

面方程，接着用软件编程计算出自由曲面透镜

的离散点，找到最佳聚光点，使所传递的能量

最大化，获得符合照明要求的光照度分布。

在所提及的所有问题中，散热是首要问

题。由于半导体制造技术的局限，输入LED

的电功率只有30% 左右转换成了光能，绝大

多数则转换成了热能。这些热量若不及时排出，

就会引起LED 芯片本身的升温，从而引起一

系列的问题：加速芯片老化，缩短其使用寿命；

导致脱焊，造成接触不良，影响工作的稳定性；

结温升高，出光率降低，光亮度减小；对于如

今采用白光实现方案，将导致波长漂移而引起

颜色不纯等等，如图1 所示。

目前主要流派分内部散热与外部散热法

二种。

所谓内部散热法，就是充分利用LED 自

身结构特点入手进行散热，如生产工艺、基板

材料、封装法等。目前较为先进的工艺方案是

采用共晶键合的方法来降低LED 芯片与基板

间的界面热阻，解决散热问题；至于LED 基

板材料，目前大功率LED 封装基板传统封装

材料及存在的问题：

（1）金属芯印制板（MCPCB）：将导热

系数高的金属（如铝、铜）装进PCB( 印制电

路板) 内，导热系数为1-2.2W/(m.k)；

（2）金属绝缘基板(IMS)：将高分子绝

缘层及铜箔电路以环氧树脂粘接方式直接与

铝、铜板接合，导热系数为1.12W(m.k)；

（3）金属基板（MB）：采用整块金属

作基板，但限制使用正装结构芯片；

（4）陶瓷基板（CS）：常用的是氧化铝

基板，导热系数可达20W(m.k)，但陶瓷润湿

性差，实现金属化困难。

显然，主流技术面临着挑战。目前效果

较好的是铜- 陶瓷材料。

外散热法是指从LED 芯片的外部入手进

行散热，如水冷、风冷、金属制冷、半导体制

冷等，但大多处于理论探讨或试验阶段。

2 研究内容

2.1 基板材料及结构

表1：传统封装材料的热膨胀性能比较

表2：氧化铝与铜的热物理性能比较

氧化铝铜

温度（K） 273.2 300 350 400 500 600 83 293 373 573 873 1173

导热系数W/(m (℃ ) 39.63 35.93 30.64 26.35 20.16 15.76 487.2 394.3 390.92 372.36 343.36 320.16

表3：不同厚度DBC 最高温度模拟实验（材料性质随温度变化）

铜 (mm)

陶瓷 (mm)

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

0.25 64.027 63.115 62.698 62.482 62.339 62.254

0.38 64.433 63.356 62.880 62.630 62.452 62.338

0.5 64.701 63.533 63.016 62.692 62.546 62.426

0.63 64.937 63.693 63.112 62.799 62.610 62.423

0.76 65.135 63.790 63.201 62.872 62.611 62.478

1.00 65.394 63.974 63.342 63.004 62.708 62.574

图4：铜与陶瓷不同厚度时的芯片温度

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Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 103

LED 散热路径为：芯片→粘接材料→基

板→导热硅脂→散热器，见图2。

由图2 可知，在封装时芯片是焊接在基

板上的。

再来比较一下传统封装材料的热膨胀性

能，见表1。

金属和Si 的热膨胀系数差别较大，长期

工作在温度较高的环境下，易出现由热应力引

起的热裂纹，严重影响可靠性

所以，本课题考虑选用直接覆铜板

（DBC）：即利用铜的含氧共晶将铜敷接到陶

瓷上，导热系数可达24W/(m.k)。

2.2 芯片间距（密度）

考虑到单个LED 芯片功率有限（目前单

个最大功率为5W 左右），如图3 所示。LED

汽车照明灯具大都采用多个LED 芯片组合形

成较大功率的照明结构，以获得理想的照明强

度以及照明范围，因此需要在同一个基板材料

上集成多个LED 芯片。但是，需要对各LED

芯片的位置进行散热优化设计。

3 最佳方案实验

3.1 采用直接覆铜板（DBC）

那么，铜、陶瓷层的厚度各为多少散热

效果最好？

这就要从陶瓷（氧化铝）和金属（铜）

的热物理性质入手研究找答案，如表2 所示。

综上，如图4 所示，DBC 的铜层厚度适

合采用0.3mm，陶瓷厚度适合采用0.25mm 和

0.38mm，从可靠性角度考虑，由于陶瓷是脆

性材料，因此选用0.38mm。

选用基板形状：上下各是覆铜板，中间

是陶瓷，如图5 所示。

3.2 芯片间距

如图6、图7、图8 所示。

选取0.3-0.38-0.3mm 的厚度后，改变芯片

间距进行模拟实验，如表4 所示。

实验是在模拟汽车前照灯环境（相同体

积的密封容器内）下进行的，芯片数3×3，外

界环境温度16℃。实验结果如图9 所示。

可见：在已选出的最佳厚度为0.3-0.38-

0.3mm 的基板上，排列的LED 多芯片（9）之

间的最佳散热间距为10mm。

现在再用上述选出的最佳散热参数做实

验，用FLIR T250 红外热像仪测量温度，测得

基板的最高温度在59℃左右，显然这是热平

衡时的温度。

4 结论

本课题的