原文標題：Reductions for heat sink weights in LED products

作者:Ying LEI1, Zhixin LIU1,Yezhi, SUN1,Guoliang XIE1, Christine Roucoules2

1, Valeo Lighting Systems China Technical Center

B4 building, No.18 ShenLong Street, WEDZ, 430056 Wuhan, China

2, VLS 34 rue saint Andre Bobigny 93102 France

編譯：李奕帆 井碩 

指導老師：林燕丹

01 介紹

本文介紹了LED產品散熱器輕量化的兩種解決方案。首先介紹了導熱塑料材料在散熱器材料中的應用：通過與金屬材料的性能對比，由于導熱塑料材料的密度較低，散熱器的重量降低了50%。用導熱塑料和金屬材料的散熱器進行了模擬。結果通過對LED結溫和散熱器重量進行比較驗證。

02導熱塑料材料

散熱器輕量化的一種解決方案是尋找一種密度低、導熱系數高的替代材料，其中導熱塑料是一種不錯的選擇。工程塑料通常是較好的保溫材料，其導熱系數一般在0.2 W/(mK)左右。這一特性在某些應用中是有益的，同時它限制了塑料在許多其他方面的應用。改變塑料的導熱系數會改善零件的熱學性能。

 

a)理論介紹

為了顯著提高塑料的導熱性能，需要大量添加礦物或金屬等導熱填料。這種方法可以使塑料的導熱系數比傳統塑料提高50-100倍(圖1)。

 

圖1塑料熱導填料

 

導熱系數受填料長寬比的影響，縱向導熱系數可達2.5~5.5W/(mK)，橫向導熱系數可達20W/(mK)(圖2)。導熱塑料使熱量均勻分布于零件中，將熱量從熱源處傳導出來，可做熱量管理應用。

 

 圖2塑料熱導填料

 

LED散熱片的散熱方式是先從熱源處將熱量傳導出來，再通過對流散熱。雖然較高的導熱性意味著導熱性更好，但熱對流主要受交換表面及其形狀等因素的影響。這意味著材料的導熱性不是唯一的決定性參數。分析表明，盡管金屬具有較高的導熱系數，但導熱系數為10W/mK的塑料在應用中，性能與金屬相當，如圖3所示。

 

圖3散熱器的散熱性能

 

b)與傳統散熱器對比

下面列舉了一個導熱塑料在實際應用中的例子，以下我們稱之為熱塑性塑料。該塑料是一種基于尼龍66的注塑成型的導熱塑料，導熱系數一般為0.43 W/(mK)。在熱塑性材料中加入大量導熱填料后，其橫向導熱系數可達到20 W/(mK)。2種鋁散熱器與熱塑性塑料散熱器的參數對比如下表所示：

表1:不同材料的參數對比

 通過軟件對LED模塊的熱塑性塑料散熱片和傳統金屬散熱片的散熱效果進行了仿真對比，仿真結果如下圖4所示。

 

圖4熱塑性塑料和Al金屬材料的仿真結果

 

表2不同材料的仿真結果

 仿真結果表明，熱塑性塑料與金屬的Tj幾乎可以保持在相同的水平(熱塑性塑料的Tj僅增加7℃左右)，而散熱器的重量可以減少45.3%。如果能對散熱器形狀進行更多的優化，可以使熱塑性塑料散熱器與金屬散熱器具有相同的散熱性能，并且重量明顯下降。

 

c)相關性與應用

我們在一個熱塑性塑料散熱器上進行了測試。將測試結果和仿真結果進行對比，PCB溫度和LED結溫的誤差均< 3℃的 (表3)。

 

圖5熱塑性塑料散熱片

圖6仿真結果

 

表3仿真與實測結果對比

03 散熱器設計優化

在LED性能相同的情況下，引入塑料材料是降低重量的有效途徑。另一個改進性能的方案是優化散熱器的形狀。散熱器優化方法如下。

 

a)優化方式

考慮到前照燈散熱片的空間有限(49mm*93mm*114mm)，根據已有經驗進行初步設計。目標是將結溫降到91℃。對散熱器結構進行參數優化包括兩個步驟：全局和局部結構參數優化(圖7)。

 

圖7散熱器優化工作流程

 

散熱器的結構參數包括底座厚度、散熱片間隙、散熱片長度等。本文以散熱片間隙優化為例，對散熱器進行了優化設計。首先定義的參數是水平間隙，然后在第二步中分析垂直間隙(圖8)。對每個設計結果進行熱仿真，從而得到具有最小重量和結溫的設計。

 

    圖8散熱器優化步驟

 

b)仿真

然后在熱仿真軟件中對不同的散熱器進行評估，分析每個散熱器的散熱性能。仿真條件為：環境溫度25°C、LED(2W/LED)數量15顆。步驟1和步驟2的仿真結果如圖9所示。步驟1中散熱片間隙為6mm，LED結溫下降了8°C。這種結構設計使散熱器的重量比原來減少了9%(散熱片間隙=5mm)。散熱片長度、厚度等參數也可采用相同的方法進行優化。

 

步驟2中，散熱器重量減少了10%，但LED僅增加1攝氏度，且結溫滿足91℃的標準要求。綜上所示，散熱片的總量減少了19%，LED結溫減少了7℃。

 

(1)步驟1和步驟2的結果

(2)各步驟結果對比

圖9步驟1和步驟2的散熱片質量和LED結溫

 

c)結果分析

為了解釋被動冷卻系統改進方案，我們進一步分析了散熱器的散熱性能，如圖10所示。原始設計與第1、2步的散熱性能差異主要與熱對流的改善有關。步驟1中，熱對流增強(> 0.3 m / s)使得散熱器的熱阻降低3.6℃/ W。在步驟2中，由于熱傳導較差導致的散熱器熱阻略有增加，但LED結溫仍能滿足目標要求。

 

圖10步驟1、步驟2結果分析

 

這項研究中，與最初的設計進行對比，重量減少了19%，LED結溫減少7℃。散熱器優化不僅可以減輕重量，還可以提高冷卻效率。該優化思路可應用于各種散熱器。

04結論

針對汽車輕量化設計的挑戰，我們研究了滿足散熱器重量和溫度要求的兩種方案。一是引入導熱塑料進行減重，二是進行散熱器設計優化。通過這兩種方案的優化，散熱器重量減少了19%~45%，同時LED結溫可以保持在一個較低的水平。

文章來自中國國際汽車照明論壇論文集