熱界面材料對LED車燈結溫的影響

宋穎超，賀敬良，何志祝，陳 勇

(1.北京信息科技大學，北京 100192；2.中國農業大學，北京 100083)

引言

目前，LED 芯片結溫是限制 LED 光源在汽車中使用的關鍵因素[1]。近年來， 白光 LED 的發光效率得到迅速改善，但仍然有大部分能量均轉化為了熱能，當芯片PN 結溫度超過一定值時，LED 的失效率將呈指數規律急劇增大[2-4]。為滿足散熱需求，熱源產生的熱量通過熱沉傳導至大氣中，由于熱源與熱沉之間接觸面表面粗糙度的存在，會有空氣隙夾雜在其中， 而空氣的導熱系數非常小，故存在較大的接觸熱阻，需要熱界面材料填充以排除氣隙[5]。

傳統的熱界面材料包括導熱硅脂、相變材料和導熱硅膠片。由于導熱系數較低， 無法滿足高熱流密度的電子元器件的需求[6，7]。Bartlett等[8]采用鎵-銦合金作為熱界面材料來提高傳熱，有效降低了接觸熱阻。LED 車燈散熱材質大部分為鋁合金，金屬鎵與鋁會發生化學反應，進而將熱沉腐蝕影響熱量傳遞。

本文針對市面應用較為廣泛的 LED 前照燈的散熱研制新的液態金屬熱界面材料，搭建測試裝置試驗臺，證實銅納米顆粒填充的鉍基液態金屬優良的導熱性能，并采用數值仿真軟件Fluent 進行驗證，以期為降低 LED 芯片的結溫提供參考。

1 LED 車燈結溫試驗

LED車燈指采用發光二極管為光源的車燈，目前已被廣泛應用汽車領域。本實驗以北京現代朗動LED近光燈為研究對象，主要包括6個部分：LED芯片、銅片、熱界面材料、熱沉、風扇以及電路控制部分。LED芯片直接封裝在高密度銅片上， 通過螺栓與熱沉相連接，熱沉材質為鋁合金，工作時風扇的平均轉速經測速儀測得為750 r/min。單只額定功率為30 W，光通量可達 6 000 lm，滿足前照燈光通量和光學性要求。LED前照燈如圖1所示。

圖1 LED前照燈實物圖Fig.1 Physical picture of LED headlamp

1.1 熱界面材料制備

熱界面材料是一種普遍用于電子散熱的材料，主要用于填補兩種材料接合或接觸時產生的凹凸不平的空隙，減小傳遞熱阻，提高導熱性能[9]。液態金屬Bi33.1In51.34Sn15.56的熔點為68 ℃，熱導率為21.19 W·m-1·K-1，液態下表面張力較強進而影響附著能力，由于熱界面材料的導熱性能受導熱系數和潤濕性的雙重影響，故而加入導熱性能優良的銅納米顆粒增加液態金屬的潤濕性。經不同質量分數的銅納米顆粒填充的液態金屬導熱系數和潤濕性能測試， 可得混有質量分數為10%的銅納米顆粒的液態金屬液態下滿足潤濕性要求。

本文采用四線法測電阻的方法分別對空氣、普通導熱硅脂、銀硅脂、不同質量分數銅納米顆粒的液態金屬進行了導熱性能測試。通過測量恒流電流I流過被測樣品的電阻R時所產生的電壓變化，并通過MA TLAB算法得出不同物質的導熱系數。測試結果如表1所示。

表1 熱界面材料及空氣的導熱系數測量結果

四線法測得室溫下空氣的熱導率為0. 025 W·(m·K)-1，與理論值一致，也證實了熱界面材料測試計算的正確性與可靠性。

1.2 LED車燈結溫試驗

為了研究不同熱界面材料對LED車燈結溫的影響，依據LED芯片的工作過程中的溫度變化搭建了實驗臺進行多次試驗， 測試裝置如圖2所示。本實驗采用3根整體線徑為0.25 mm的K型熱電偶線放置于上中下三個不同測溫點上，用于記錄LED車燈工作時的溫度變化以及最終結溫。LED的供電裝置為邁盛MP3030D型號的直流電源，安捷倫34970A進行數據采集，計算機進行數據的記錄和分析。在室溫25±1 ℃的情況下對單個LED燈進行實驗分析。

圖2 LED前照燈的實驗臺裝置系統圖Fig.2 System diagram of the experimental platform of the LED headlamp

實驗采用三種不同的熱界面材料以及空氣存在時的實驗測試結果如圖3所示。由圖3可知，以30 W的額定功率驅動時，圖3(a)～(d)分別為采用無熱界面材料即有空氣間隙時、市售普通導熱硅脂、銀硅脂和液態金屬合金時的實驗測量結果，可知最高溫度分別為98.5 ℃、91.5 ℃、90.8 ℃和86.2 ℃， 遠離熱源的底部溫度均在50～60 ℃之間，此溫度區間對LED芯片的各項性能及壽命不會造成任何危害，故LED前照的散熱器的研究重點應在于LED芯片的正下方的局部區域，并且利用熱紅外成像再次驗證了實驗測試的準確性，實驗過程中拍攝的熱紅外圖如圖4所示。

圖3 LED在不同熱界面材料下的溫度曲線Fig.3 Temperature profile of LED under different thermal interface materials

圖4 LED在不同熱界面材料下的熱紅外測試Fig.4 Thermal infrared test of LED under different thermal interface materials

如果將LED芯片直接與導熱板安裝在一起，實際的接觸面積只有散熱器底座的10%左右或者更少，其余接觸均為空氣，而空氣的導熱系數只有市售導熱硅脂的1/100，熱量無法傳遞出去這是導致圖3(a)的結溫升高的主要原因，其余三種導熱硅脂根據其導熱系數的不同，其結溫也表現出了較大的差異，可以看出混合10%銅顆粒的液態金屬Bi33.1In51.34Sn15.56表現出卓越的導熱性能，由此可以看出使用高導熱性能的熱界面材料對于芯片結溫的重要性，能夠有效降低接觸熱阻，進一步使散熱器的性能得到發揮。

綜上，熱紅外測得的LED工作時的溫度較實驗得到溫度略高，誤差在2 ℃以內， 其原因在于頂部測溫點為LED與銅板接觸時的溫度，而熱紅外圖像顯示的是光源的最高溫度，且兩者誤差在1.5%以內，在誤差范圍內。可見降低接觸熱阻是控制LED 結溫的重要方法之一，混有銅顆粒的液態金屬作為熱界面材料不僅滿足了熱界面材料的潤濕性，較傳統的熱界面材料又提高了導熱性能，與目前導熱性能較高的銀硅脂相比仍降低了7 ℃。

2 LED 車燈結溫仿真驗證

2.1 模型建立

盡管上述實驗結果證實了鉍基液態金屬作為熱界面材料的優越性，但沒有具體反映熱流的傳導規律以及各部分溫度分布，因此采用傳熱學仿真模型對芯片的熱流傳導過程進行分析，依據實際車燈，利用三維建模軟件建立車燈簡化模型，如圖5所示。

圖5 LED車燈模型Fig.5 LED car light model

2.2 熱力學仿真計算

采用ANSYS Fluent軟件將模型劃分網格，局部進行加密，網格數量為2 105 862，節點數為234 172。在Fluent中開啟能量方程，設置材料和邊界條件，根據LED燈的實際情況，導熱板的材質為銅，熱沉的材質為鋁合金，熱界面材料分別選用空氣、普通導熱硅脂、銀硅脂和銅顆粒填充的液態金屬復合材料，其導熱系數根據實驗測量結果進行設置，環境溫度為25 ℃，LED 功率為30 W，根據不同低電流密度(1 A/cm2)的光效率和流明效率得出，200 lm/W的光效可達38.8%[10]，按此計算得出LED芯片的熱流密度為1 224 000 W/m2。初始化后進行計算，以液態金屬熱界作為面材料為例，仿真結果如圖6所示。通過云圖可以看出最高溫度為89.2 ℃，由圖6(b)可知芯片產生的熱量主要集中在上端部分，且沿著散熱器自上而下進行傳遞。

圖6 LED前照燈溫度云圖和LED芯片局部溫度Fig.6 LED headlamp temperature cloud map and LED chip local temperature

通過以上仿真分析，從數據可以看出仿真結果與試驗結果的相對誤差為3.48%，在允許的誤差范圍內，進一步可證明仿真建模與計算結果的準確性，數值模擬結果為進一步了解和研究LED芯片的溫度變化情況以及熱流的傳導過程提供了參考。

3 結論

通過對普通導熱硅脂、銀硅脂和混有銅納米顆粒的液態金屬三種熱界面材料的熱導率測試、在LED車燈上的應用以及仿真計算，結果表明混有銅納米顆粒的鉍基液態金屬因其優越的導熱性能和潤濕性， 極大地降低了LED芯片與熱沉之間的接觸熱阻，使LED結溫較銀硅脂降低了7 ℃，銅顆粒解決了液態金屬潤濕性問題，鉍基合金也不會對鋁合金熱沉產生腐蝕作用。這為LED芯片的熱界面材料的選擇和降低芯片結溫提供參考。