2024年3月27日发(作者:雪铁龙c5x参数配置)

2020

6

第31

卷第

3

照明工程学报

ZHAOMENG

GONGCHENG

XUEBAO

Jun.

2020

Vol.

31

No.

3

灯热设计中固态照明精细化结构建模研究

孔祥瑞

1

\'

2

,

2

,

孟庆恩

2

,

尹丽伟

2

,

1

(

1

?河海大学机电工程学院

江苏常州

213022

2.

常州星宇车灯股份有限公司

江苏常州

213022

)

作为新一代半导体光源

,包括发光二极管

(

LED

)

和激光二极管

(

LD

)

在内的固态照明

(

SSL

)

光源已

广

应用于汽车大灯

SSL

光源具有使用寿命长、

体积小

转换效率高

低电压的直接供电等优点

$

本文分析了车

灯用

LED

LD

的封装级结构

指出了其结构对散热性能的影响

发现固晶层

(

DA

)

和陶瓷基板对

SSL光源的热

性能有显著影响

根据模组封装的实际结构

SSL

光源模组进行了精细化的建模

并将其应用于

CX53

型前照灯

的整灯热分析&

根据模拟结果中各部件的高温点位置

利用热电偶

数据采集器等测试仪器对

CX53

型前照灯进行

测试

通过对实验和仿真结果的对比分析

发现精细的

SSL

光源结构建模可以提高前照灯的热设计分析精度

$

关键词

:固

态照明

&

前照灯

热设

散热

中图分类号

TM923.

34

文献标识码

A

DOI

10.

3969/j.

issn.

1004-440X.

2020.

03.

012

Research

on

Fine

Structerr

Modeling

of

Solid

State

Lighting

for

the

Thermal

Design

of

Headlamps

KONG

Xianyrui

1

\"

2

,

LI

Ru

2

,

MENG

Qinyen

2

,

YIN

Li/ei

2

,

XIAO

Hony

1

(

1.

College

cf

Mechanical

and

Engineering

,

Hofai

University

,

Changzhoo

213022

,

China

&

2.

Changzhoo

Xingyu

Automotive

Lighting

System

Co.

,

Ltd.

,

Changzhoo

213022

,

China)

Abstract

As

the

new

generation

of

semiconductor

lighting

source

,

solid

state

lighting

(

SSL

)

,

including

LED

and

laseedgode

(

LD

),

has

been

wgdelsused

gn

automot

gve

headlamps.

SSL

has

the

advantages

o

olong

lgoe

,

sma

l

sgee

,

hggh

oonveesgon

e

o

gogenos

,

low

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d

gee

ot

powe

esuppl

s

,

and

s

,

thgspapee

analseed

the

pa

okage-level

steu

otu

ee

ooLED

and

LD

ooevehgolelamps

,

gndgoated

the

gn

oluen

oe

o

othe

gnteenalsteuotueeooSSL

on

gtsheatdg

s

gpatgon

peeooemanoe

,

and

oound

thattheDgeA

t

aoh

(

DA

)

and

oe

eam

gosubst

eate

have

s

ggn

gogoant

gn

oluen

oe

on

ls

,

based

on

the

aotualsteuotueeoothemodulepaokage

,

the

SSL

module

was

met

goulousl

smodeled

and

applged

tothewhole

lamp

theemalanalssgsooCX53

automot

gve

headlamp.

A

ooo

ed

gng

to

the

lo

oat

gon

oothehggh

tempeeatueepognt

ooeaoh

oomponentgn

the

s

gmulat

gon

eesults

,

theCX53

headlamp

wastested

b

sthe

emo

oouple

,

dataoo

l

eotoe

and

othe

etest

gnst

euments.

B

s

oompa

egng

and

anal

segng

the

eesults

o

oe

epe

egment

and

sgmulatgon

,

gtgsoound

thatognesteuotueemodelgngooSSLoan

gmpeovethetheemalanalssgsaooueaosooheadlamps.

Key

words

solid

state

lighting

&

hexdlamps

&

thermal

design

hext

d/sipation

月异

人们对

灯要求越来越高

[

1

]

$

随着固态照明

引言

近些年来

汽车

工业发展迅猛

汽车

照明日新

基金项目

:江苏省博士后科研资助计划项目

(

2018K050C

)

产业的发展

,

LED

LD

光源具备的优良性能

,

契合了

灯的各种功能需求

丰田公司在

2007

发布了安装

LED

汽车

前照灯的雷克萨斯

LS600h

通信作者

:李茹

,

E-mail

liru@

xyl.

.n

64

照明工程学报

2020

6

汽车

标志着

LED

汽车前照灯正式进入市场

2

-

和空调冷凝器等发热设备较近

其工作环境温度最

高可达

80

\'

10

$

据显示

,

场规模有

汽车照明及

2020

年中国

LED

汽车照明

保证

LED

前照灯能够安

精确地获

态照明

SSL

425

亿元人民币

3

2018

125

届全体成

:

模块的近光灯

达到的

能提出

表明

,

大功率

LED

LD

4

当热量中

寸很

的工作

车灯前期研发中散

而如何通过模

的结

论了

LED

$

$

客观性能要求

对大功率

LED

车灯的散

了新的

1

封装结构对散热性能的

影响

1.1

常见的封装结构

一般将电功率超过

1

W

LED

芯片称为大功率

电光能量转换效率约为

10%

-30%

仍有

70%

-

90%

的电能

持续的高结

小的芯片内

热流密度大

芯片温度急剧升高

,

发光效率

导致发光波长发生

为了保证器件能可靠

的工作

考虑其

下降

LED的使用

缩短

_

9

由于多数车型的前照灯

于发动

散热结构

$

常用的大

芯片

机舱

所能利用的空间有限

且距离水箱

发动机

光发射

P

金属电极

w-GaAs

Oip-chip

FC

$

对于正装结构

为垂直结构

面结构

如图

1

所示

$

LED

芯片

芯片

MQW

有源层

\"极金属触片

|

p-GaAs

|

w-GaAs

衬底

\"金属电极

a

垂直结构

LED

b

平面结构

LED

MQW

发光层

p-GaN

蓝宝石衬底

w-GaN

〃电极

硅基板

~

J

_________

?

电流层

P

电极和

1

反射层

7

焊锡\"

包层

电路板

c

倒装型结构

LED

1

常见的

SSL

光源芯片结构示意图

Fig.

1

Chip

structures

of

SSL

light

source

电极位于芯片上下端

基本无横向流动的电流

的电流

可以有效改善电流的

现象

能够得

到更大的电流密度

以有效提高芯片的发

$

平面结构

LED

芯片的工艺

电极都位于外

垂直结构工艺相对简单

发光

芯片为长条形

发出的光一般为带状

芯片

量通过下方

芯片的

导出

的材质

的铜

$

1.2

散热通

目前

车灯用

LED

封装内通常安装多颗芯片在

陶瓷

层的同一边

$

对于

发区产生的热量

度的距离才能传导至芯片

很大

$

型芯片

型芯片

由于蓝宝石导热

过几乎整个衬底

芯片间无热耦合效应

取其中

一颗分析其散

LED

芯片

相对于传统的结构来说具有更好的散

Oip-chip

FC

是常用的大功

这导致芯片热阻

当点亮

LED

芯片时

热量从

传导至器件

芯片区通过热传导传递至封装器件外面

有两个

途径

第一个途径是热量向芯片的上方传递

过电极

层及硅

或环氧

$

氮锋基蓝光

LD

的芯片结构一般是端面

另一个途径是热量向芯片的下方传递

i

31

卷第

3

孔祥瑞等:

车灯热设计中固态照明精细化结构建模研究

65

过硅衬底

固晶焊接层及封装基板传导至空气中或

者是与

接的散

Mehmet

(

11

]

可知

由于

胶或者环氧

等封装材

的导热性能极差

热量向芯片上方传

的热阻

要远远大于向芯片下方传递时的热阻

第一个途径

上的散热量可忽略不计

第二个途径的热量依次传递到

PCB

导热胶

和散热器

,

PCB

散热器与灯

发生热辐射与热对流

的零

反射

光导

内灯罩

灯罩及壳

迅速升温

之间互相接触发生热传导

灯内空

I

力作用而发生热对流

通过分析了车

灯用

LED

LD

的封装级结构

可以发现封

1

结构对其散

能的

尤其是固晶层

(

Die

Attach

DA

)

和基板

(

Substrate

)

对散热性能影响

较为明显

2

C3

型前照灯及光源精细化建模

2.1

CX53

型前照灯及模组介绍

对汽车前照灯进行温度场和流场分析的前提

先利用三维绘图设计软件对其进行

及三

建立其分析模型

运用车灯行业常用的

制图软

绘制的

CX53

型前照灯三维模型

如图

2

所示

2

CX53

远近

光一体

LED

照灯

Fig.

2

Integrated

LED

hexdlamp

of

CX53

该前照灯为远近光一体

LED

前照灯

LED

模块由散热器

、PCB

内灯罩

扌当

反射

支架和透镜组成

其近光为一颗三芯片

led

远光为一颗五芯片

LED

其电功率分别为

8.9

W

15.2

W

,

额定功率下结点到焊点的真实热阻分别为

1.

30

K/W

0.

9

K/W

2.2

精细化结构建模

LED

传统的车灯热分析中将

LED

PCB

板简化成

与实

相接近的长方体或正方体

而实际

LED

封装内部结构较为复杂

根据芯片和封装的实际结

利用三维软件对两颗车灯用

LED

进行精

构建模

保留封装

荧光层

芯片层

框层及

封装壳体结构进行实

如图

3

所示

[

框上下覆铜层及固晶层在

ANSYS

Fluent

中进行壳单

层对应有不同的导热系数

封装壳体

荧光层

3

LED

内部结构示意图

Fig.

3

Inner

structure

of

LED

3

CX53

前照灯有限元热分析

车灯热分析的目的是计算模型内各个零部件的

温度分

热流密度等物理量

热流量

热对流

热辐射和外部温度场

本文使用的

软件

Fluent

基于计算流体力学

(

cemputationai

fluid

dynamics

CFD

)

以计算机为工

应用合适的算法求解一个空间离散区

的物理方程

获得相应的物理参数

3.1

有限元分析前处理

车灯有限元分析能否成功进行的前提是获得质

量合格的网格,

考虑

的问题

目的增加不会造成分析结果的

相对折中的方法

(

12

13

J

CX53

型前照灯利用通

用前处理软件

ANSA

完成车灯零

LED

及封

进行加密

得到了符合

r

质量

256万

其示意图如图

4

所示

4

灯前视图

精细化建模

LED

局部网格

(右

Fig.

4

Front

view

of

hexdlamp

left

the

locol

grid

of

LED

fine

structure

modeling

3.

2

CX53

型前照灯稳态热分析

ANSA

分出的质量合格的网格导入到

66

照明工程学报

2020

6

Fluent

进行模拟所需要的设置

选择合适的车

灯分析模型和进行正确的

(

12

13

对于精

作环境温度为

50

\'

将灯外表面和壳体外表面的

也格外

框层

其中

对流换热系数设为

8

W

?

m-

2

?

K

-

1

$

1

封装材

的物性参数

LED

,

荧光层

芯片层

固晶层

Table

1

Physical

parameters

of

the

packaged

框层上下表面

铜层

中间

壳单元

packaging

materials

led

中上下覆铜层

实模型

明细如表

1

成分

材料

Silicone

YAG/Si

导热率

/

(

W

-

m

-1

?

K

-1

)

0.2

PCB

选用铝

壳单元

LED

PCB

上表面覆铜

将其设置为

封装

荧光层

芯片层

6

120

57

所示

对于所有零部件在边界条件中设置合适

GaN

固晶层

金锡合金

漫反射

$

本文选用的远近光一体

引线框

基板

Alt

385

LED

模块

近光为一颗三芯片

LED

远光为一颗五

170

芯片

LED

其电功率分别为

8.9

W

15.2

W

光电

转换效率为

30%

则其热功率分别为

6.23

W

10. 64

W

将两颗

LED

内部芯片的芯片层设置体热

近光

LED

芯片层热流密度为

1.02

x10

11

W/m

2

3.3

稳态热分析结果

解器设置中

将重力方向设置为沿

Z

轴的

负方向

灯腔内流体介

空气

$

达到稳态收敛后

对比分析

LED

模块是否是精

模的整灯

近光

LED

芯片层热流密度为

1.

06

x

10

11

W/m

2

$

温度

/°c

.

141

I

133

LED

温度场的

结果如图

5所示

$

温度

/°C

.

130

I

124

118

\'

126

118112

I

103

110

105

I

99.0

92.8

I

86.6

I

80.3

I

74.1

I

95.2

I

87.5

I

79.9

I

72.2

64.6

67.8

5

精细化建模(左)和简化模型(右)的

LED

模块温度场分布云图

Fig.

5

Temperature

cloud

map

of

LED

module

of

the

fine

structure

modeling

(

left)

and

the

simple

model

(

right

)

由图

5

可知

根据

CX53

型前照灯整灯模拟结

分别

64.6\'

67.

8\'

在相同的工作条件下

果所得到的

LED

模块温度场的

LED

模拟的

云图

两种不

模方式

LED

模块模

到的温度

$

对于精细化建模

LED

模块

车灯其他主要部

度为

141.0\'

出现在远光

模的模

LED

正中间的荧光层处

$

对于未精

即传统的耦合面为面热源简化模型

温度为

130.2\'

出现在

PCB

LED

耦合面处

件的模

度云图如图

6

所示

$

车灯中

色在蓝色和红色之间变化

颜色由蓝色逐渐变为

代表着其温度

据结温计算公式可求得

LED

结温最高为

139.

1

\'

稍低于精细化建模

LED

模拟最高温度

1.9\'

$

对于

升高

$

可知

对于

120.0

\'

LED

反射

温度分布云图

温度条颜色由蓝色到红色

温度逐

度为

118.7\'

内灯

反射镜温

升高

两模型

LED

模块温度分布趋势基本一

但是对于简化模型

LED模块

是与散热器表面相接

的地方

$

能远高于内灯罩和反射镜

度可视为

器温度较高其导

的使用情况相吻合

$

LED

焊脚温度为

130.2\',

低于精细化模型的

LED

这也和车灯在实际生活中

结温

141.0\'

且两种模块最低温度都出现

31卷第

3

孔祥瑞等

车灯热设计中固态照明精细化结构建模研究

67

温度

/°C

温度

/°C

.

89.7

I

84.9

温度

/°C

97.4

93.3

89.2

85.0

80.9

76.8

72.7

6

&

5

64.4

60.3

58.2

(b)

饰圈

53.0

50.0

(a)

灯罩和壳体

温度

/°c

93.8

90.0

88.1

82.3

78.4

74.5

70.7

66.8

62.9

59.1

55.2

(d)

侧板

温度

/°C

.

118

I

116

I

114

112

I

109

107

I

105

103

I

101

I

98.5

96.3

(e)

反射镜

1

80.1

I

75.2

I

70.4

65.8

60.8

55.9

51.1

46.3

D

41.4

(c)

支架

温度

/°C

.

120

I

117

|

113

110

107

I

103

I

100

I

96.8

I

93.5

I

90.2

86.9

(f)

内灯罩

6

各零部件温度分布云图

Fig.

6

Temperature

cloud

map

of

verious

components

车灯热设计方案的可行性是通过比较零部件的

度是

的最大

基本都在

1

\'

以内

另外

发现

LED

正前方的内灯

度来判断的

度分布出现

如图

7

所示

内灯

度最

对比分析了精

度分布趋势

LED

模块和简化模型

LED

区域出现在与散热器接触的地方,

两种模型温度

分别为

120.

1

\'

119.

3\'

温差为

0.8\'

但是

模块两种模型的整灯热分析结果

温度云图显示其

度基本一致

各零 上最高温

度存

模拟的最大

在内灯罩贴近

LED

的区域,

发现精细化建模

LED

模型的温度为

115.6\'

简化建模

LED

模型的温度

度点的

也基本一致

分零

2

是两种模型部分零

温度和耐热极限的汇总

109.

2

\'

温差为

6.4

\'

通过分析

CX53

前照

灯的结构

发现内灯罩则

LED

;

2

部分零件模拟最高温度和耐温极限对比

建模

LED

模块的内灯罩距离

LED

上表面的最小距

°C

Table

2

Comparison

of

simulated

maximum

temperathre

and

temperathre

resistance

limit

部件名称

壳体

模型模

80.1

84.7

82.5

只有

0.4

mm

而简化模型

LED

模块内灯罩距

LED

面热源的最小距离为

0.8

mm

该处温度出现较

简模型模

温差

-4.

6

-2.

8

耐热极限

125

140

120

140

140

120

200

部分原

于精细化建模

LED

应用到车热

分析中更加

反映

根据稳态模

的分布

66.0

饰圈

支架

89.7

97.4

93.8

91.3

98.2

-1.6

-0.

8

到的结果

通过实际

对车灯的主

点灯测试

LED

温度进行测试

侧板

反射镜

94.1

-0.3

灯罩

壳体

饰圈

LED

等的模

i

温点和

120.1

118.1

78.7

119.3

117.4

78.9

0.8

0.7

-0.2

内灯罩距离

LED

处进行温度测量

根据实际测

透镜

近光灯

LED

远光灯

LED

150

的结果反过来验证软件模拟的准确性及可靠性

(

=137.5

(

=141.0

(

=

134.

7

2.8

1.9

(

=150

(

A

=

150

(

A

=139.

1

通过对比两种不同建模方式

LED

模块的温度云

,发现精

4

CX53

型照灯有限元热分温

度测试实验

4.1

测温实验方法及器材

本次实验

用热电

进行测量

根据稳态

LED

模块远近光的结温都高于

LED

模块

简化模型

LED

模块通过计算得到的结温

对于灯

%

壳体和饰圈

低于简化模型

LED

模块的

模拟结果

利用热电偶

对车灯

I

68

照明工程学报

2020

6

7

精细化建模(左)与简化模型(右)的

LED

灯罩温度云图

Fig.

7

Temperature

cloud

map

of

LED

lamp

shade

of

the

fine

structure

modeling

(

left)

and

the

simple

model

(

right

)

点进行实际测试

主要测试样件及设备有

CX53

用数据采集器及测温仪测量出灯罩

壳体等部件温

度测试

$

型前照灯实物样件

8

热电

AB

电烙

9

温度测试点示例

8

CX53

型前照灯实物样件

Fig.

8

The

CX53

headlamp

samples

Fig.

9

Examples

of

temperature

test

pointa

4.4

模拟与

实验

测试结果分析与对比

4.2

温度测试点的选择原则及固定方法

针对有涂层的零件

用钻头从涂层反面开孔

不可钻穿有涂层面

本次的温度测试过程中

使用的

K

型热电

测量误差为±2.5\'

因此

实验中所测得的温度

实验

所得的

;另外,

对于

零件表面

针对没有涂层的零件

用电

测试端焊接到零件表面

温度测试点的模拟和实测温度

将精

LED

与实

粘接

零件表面

$

针对

LED

贴在

LED

1

LED

度与实

度的

PCB

PCB

板因为材料原因无法用电烙铁或钻头

开孔

一般直接

置进行测试

$

电偶的

$

如表

3

所示

$

3

模拟与

际测试

度结果

结果

若零件难于用电烙铁固定

或需考察涂层的温

Tabee3

Thesnmueainonandiesiresueisofiemperaiure

$

例如

面温度等

需考察漆层或

层表

测试端直接贴在零件表面

测试

1

模型

66.0

模型

72.5

实测

67.4

77.1

温差

1.4

温差

5

.1

零件表面

$

本次

CX53

2

80.1

84.7

3.0

2.7

7

.6

9

.1

1

.8

1

.5

型前照灯

9

个温度测试点

$

3

115.6109.2118.3

4.3

温度测试实验过程

将完成布点的

CX53

型前照灯置于工装上

4

5

120.1

118.3

119.3

118.4

T

A

=139.1

117.5

119.9

T

A

=143.8

121.0

2.6

1.6

6

T

A

=

141.

0

123.4

2.8

4

.7

2.7

2

.4

1

.0

后放入

上电源

度达到

50

\'

度调至

50

\'

CX53

7

8

123.7

2.4

0.4

T

A

=137.5

120.8

T

A

=134.7

120.0

T

A

=137.1

119.09

1.8

型前照灯接通直流电源

点亮车灯

。车灯正常工作

2

h

的温度将达到稳态

通过稳态模拟得到的最高温度与实际点灯测试

31

卷第

3

孔祥瑞等

车灯热设计中固态照明精细化结构建模研究

69

所测得的温度均未超过各部件所用材料的耐温极限

时灯腔内零部件的实际温度

$

参考文献

(

1

]

张龙

,李慧.汽车车灯造型模式设计方法探讨

[

J

]

.

山东工业技术

2016

(

9

)

:

279.

通过对比精细化建模

LED

和简化模型

LED

拟得到的温度数据

发现精细化建模

LED

可以更加

准确模拟出车灯正常工作时灯腔内零部彳的实际温

精细化建模

LED

是提高车灯热分析精度的一个

有效手段

另外

模拟结果与实测结果存在一定的

误差

原因主要有以下两个方面

[

2

]

贾爱芹

程国锐.论

LED汽车前照灯发展

[

J

]

.科技

创新

2013

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曹小兵

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在汽车照明系统中的应用分

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J

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.

照明工程学报

2018

29

(

5

)

:

88-93.

1

)

CX53

型前照灯进行稳态模拟分析前

,

对车灯模型进行简化处理

因此

,简化后的

CX53

[

4

]

袁冬.

LED

光热结构优化设计

[

D

]

.广州

华南理工

大学

2013.

型前照灯三维模型与实际的车灯样件存在一定的偏

在计算过程中来自于理论的假设材料是连续介

[

5

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冯华云

孟庆恩.

LED

汽车前照灯散热研究现

[

J

]

.

灯与照明

2009

33

(

4

)

:

41-43.

质假设

材料均匀性假设

模型的简化以及网格的

划分

计算的误差无法避免

$

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6

]

罗德智

,牛萍娟,

郭云雷

,等

.

汽车前照大灯智能化

的现状与发展

[

J

]

.

照明工程学报

2017

28

(

5

)

:

2

)

实际的测量设备的精度也是模拟与测量有

一定差别

在对

CX53

型前照灯进行实际点灯测试

72-78.

[

7

]

秦典成

陈爱兵

肖永龙

.基

于热电分

式理念的

热电偶本身的测量精度

数据采集器和测温仪

等仪器自身存在的系统误差

部件实际温度测试点

与模拟最高温度点之间的位置误差等

都会对温度

LED

车灯

[

J

]

.

照明工程学报

2018

29

(

5):

104-108.

[

8

]

虞炎林

马建设

苗振林

.

LED

芯片电流扩散与尺寸

的实际测量值造成一定的误差

$

综上

通过对稳态模拟结果与实测结果的对比

关系的仿真分析

[

J

]

.

半导体光电

.

2019

40

(4

)

:

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[

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李梦梅

胡小玲

郭伟玲.

GaN

LED

能效的研究进

[

J

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.照明工程学报,

2020

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(

1

)

:

8-15.

[

10

]

.GaN

LED

及汽车前照灯散

分析

以及误差原因的分析均表明精细化建模

LED

应用于汽车前照灯热设计能有效提高热量分析的

精度$

[

D

]

.北京

清华大学

2008.

[

11

]

Mehmel

A

Charles

AB

Stanton

E

el

al.

Thermal

5

结论

LED

车灯前期

发过程中

$

本文分析了

LED

封装结构对其散热性能的影

manaaement

of

LEDs

Packaae

to

system

[

C

]

//Optical

Science

and

Technoloay

SPIE

\'

s

48th

Annual

Meeting.

International

Society

for

Optica

and

Photonics

2003.

通过对

LED

封装内部精细化结构建模并应用到

汽车前照灯

分析的过程

算的结果进行分析

和实验验证

$

对比分析模拟结果与实际测试表明

[

12

]

胡书红?基于热分析的

LED

汽车前照灯结构设计及优

[

D]

.

:

量学

2013.

[

13

]

胡书红

余桂英

岑益超.基于

CFD

的大功率数组

LED

汽车前照灯散热系统设计及优化

[

J

]

.

中国激

精细化建模

LED

可以更加准确模拟出车灯正常工作

2012

39

(1

)

:

1-6.

2020

5

15

中国照明学会批准发布

5

项团体标准

T/CIES

022

2020

照明工程

用计价标

T/CIES

023

2020

汽车工业用房

LED

照明设计标准

T/CIES

025

2020

LED

植物光照产品的光

学性能测量方法

T/CIES

026

2020

智能照明设备非主功能模式功率的测量

T/CIES

027

2020

能照明系统能耗估算方法

$

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