一種led燈設計驗證方法及其在外掛燈和前大燈的應用的製作方法
2023-05-29 00:35:21
一種led燈設計驗證方法及其在外掛燈和前大燈的應用的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種LED燈設計驗證方法及其在外掛燈和前大燈的應用，設計驗證方法包括以下步驟：確定LED燈具結構，對LED燈具和LED燈珠建模；簡化LED燈具和LED燈珠模型；對簡化後的LED燈具和LED燈珠模型進行數值模擬驗證；得出結論，確定LED燈具導熱布置和散熱方案是否可行。本發明通過確定結構與建模、數值模擬求解，得出結論，在投入生產前先對LED燈進行結構設計，對燈具工作時各個部位的熱量及其散熱要求進行模擬驗證，得出合理導熱布置和散熱方案，高效散熱設計將晶片產生的熱量傳導出去並與環境有效交換，使LED燈在工作時得到合理的散熱，使LED晶片工作在安全溫度下，提高LED晶片的光效、壽命和可靠性。
【專利說明】一種LED燈設計驗證方法及其在外掛燈和前大燈的應用
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種設計及模擬驗證方法，尤其涉及的是一種LED燈設計驗證方法及 其在外掛燈和前大燈的應用。
【背景技術】
[0002] 作為新型的照明光源技術，LED具有高光效、壽命長、體積小、響應快等諸多優點。 由於受到使用功率的限制，早期的LED主要用於儀表顯示，家用照明等領域，而後被引入汽 車照明領域後，也僅作為尾燈或輔助照明使用。
[0003] LED用於汽車前大燈的主要瓶頸在於散熱，由於LED的光轉化效率僅有20-30%， 很大一部分能量將轉換為熱量，使LED晶片的溫度升高。而LED晶片的光效、壽命和可靠性 極大地依賴於晶片溫度（結溫），如何通過高效的散熱設計將晶片產生的熱量傳導出去並 與環境有效交換，從而使LED晶片工作在安全溫度下是長期以來LED照明領域的關注熱點。
[0004] 隨著LED晶片加工和封裝工藝的不斷進步，LED的光效不斷提高，並且LED晶片級 和封裝級的散熱設計更加合理，這使得用於汽車前大燈的LED照明系統成為了可能。2007 年，雷克薩斯推出的LS600h是第一款將LED用於前大燈照明的量產車，但是該款車只是近 光燈使用了白光LED，遠光燈仍然採用了傳統的滷素燈。2008年，奧迪R8成為了第一輛搭 載全LED前大燈的車型，它的遠近光、轉向、日間行車燈燈前大燈的照明功能全部使用LED 元件。之後，包括凱迪拉克、寶馬等高端車型，以及高爾夫7和蒙迪歐等中端車型均加入了 LED前大燈汽車的行列。
[0005] 在前車燈的散熱設計方面，雷克薩斯的LS600h由日本小系車燈公司設計，採用 了一體化被動散熱結構，考慮到遠光燈並未使用LED，因此散熱條件並不苛刻。奧迪R8由 Automobile Lighting公司設計，在一體化散熱的基礎上，採用了外加風扇的主動散熱方 式。法雷奧在為沃爾沃S60概念車設計的前大燈中更是採用了外加熱管及風扇的高效散熱 方式。
[0006] 從目前LED的工藝水平以及汽車前大燈的照明需求來看，僅僅空氣自然對流的被 動散熱很難到達要求，而主動散熱可以通過外加風扇、合成射流器或者半導體製冷片實現。 其中，半導體製冷片散熱需要對燈具結構做較大改變，而且還需要輔助散熱裝置對製冷片 熱端進行散熱，否則可靠性難以保證，因此半導體製冷片散熱的車燈還僅存在於概念設計 層面，未見產品。外加風扇和合成射流器散熱僅僅需要在現有散熱器後端做較小改動，可行 性更強。相比較而言，合成射流器更具優勢：首先，合成射流器體積較小，可以在汽車大燈 與發動機間的狹小空間內安裝；其次，合成射流器壽命更長，能夠提高整個燈具的可靠性； 同時，合理排布的合成射流器噴氣孔能產生二次流動，有效提高散熱器表面的換熱效率。目 前，國內採用合成射流器的LED專利還不多，而且相當一部分只是應用於路燈與其他照明 裝置，應用在車燈上產品實例仍然空缺。而在換熱條件苛刻的情況下，如何採用更合理的導 熱布置和散熱方案是亟待解決的一個問題。
[0007] 因此，現有技術還有待於改進和發展。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的在於提供一種LED燈設計驗證方法及其在外掛燈和前大燈的應用， 旨在解決在換熱條件苛刻的情況下，如何採用更合理的導熱布置和散熱方案的問題。
[0009] 本發明的技術方案如下：
[0010] 一種LED燈設計驗證方法，其中，具體包括以下步驟：
[0011] 步驟Sl :確定LED燈具的結構，對LED燈具和LED燈珠進行建模；
[0012] 步驟S2 :對LED燈具和LED燈珠模型進行簡化；
[0013] 步驟S3 :對簡化後的LED燈具和LED燈珠模型進行數值模擬驗證；
[0014] 步驟S4 :根據步驟S2和步驟S3得出結論，確定LED燈具的導熱布置和散熱方案 是否可行。
[0015] 所述的LED燈設計驗證方法，其中，所述步驟S1中，採用CAD軟體設計LED燈具的 結構和對LED燈珠建模。
[0016] 所述的LED燈設計驗證方法，其中，所述步驟S2中，對LED燈具和LED燈珠模型進 行簡化，採用Icepak軟體的多尺寸網格劃分功能，對燈珠結構和燈具的重要部件處採用較 密的網格，而對自由空間內則採用較稀的網格；已知燈珠熱阻和燈珠功率，直接將燈珠等效 成一個無厚度的發熱面，通過Ansys軟體的Icepak模塊模擬得到基底表面溫度後，將基底 表面熱阻與晶片間熱阻考慮進去，代入公式（3)，得到燈具的結溫：
[0017] Tjunction - T substrate+(Rdie+Rsolder) X P.
[0018] (3)，其中，1'_。_為結溫，1\1^_為基底表面溫度，1^為燈珠熱阻，1^。1(^為錫膏 層熱阻，P為燈珠發熱功率。
[0019] 所述的LED燈設計驗證方法，其中，所述步驟S3中，進行數值模擬驗證時採用 Ansys軟體的Icepak模塊對LED燈具進行熱分析，得出LED燈具中的最高溫度，具體步驟 為：將利用CAD軟體設計好的LED燈具結構和LED燈珠模型導入Ansys Modeler模塊，進行 簡單修改和簡化後再導入Icepak模塊，設置材料性質、邊界條件以及求解方法，劃分網格， 藉助Fluent軟體進行求解。
[0020] 一種如上述所述的LED燈設計驗證方法，其中，當LED燈為外掛式LED汽車改裝燈 時，具體包括以下步驟：
[0021] 步驟Sl :確定LED燈具的結構：利用CAD軟體設計確定外掛式LED汽車改裝燈具、 燈具中部基板上的仿流明燈珠以及燈具底部COB封裝燈珠的結構；
[0022] 對LED燈具和LED燈珠進行建模：仿流明燈珠焊接在車燈內的鋁基印刷電路板上， 位於外掛式LED汽車改裝燈的中部，發熱功率為7W，採用熱沉式SMT封裝，確定燈珠內的 各材料層、厚度及熱導率；COB封裝燈珠安裝在外掛式LED汽車改裝燈的底部，發熱功率為 14W，燈珠內包含LED晶片陣列，其中燈珠下部的基板採用直接鍵合銅板，確定燈珠內的各 材料層、厚度及熱導率；
[0023] 步驟S2 :對LED燈具和LED燈珠模型進行簡化：採用Ic印ak軟體的多尺寸網格劃 分的功能，對仿流明燈珠、COB封裝燈珠模型和外掛式LED汽車改裝燈具的重要部件處採用 較密的網格，而對自由空間內則採用較稀的網格；
[0024] 同時，採用等效熱導率的方式處理功率電路板：
[0025] 對於仿流明燈珠的鋁基印刷電路板，其等效熱導率為：
【權利要求】
1. 一種LED燈設計驗證方法，其特徵在於，具體包括以下步驟： 步驟Sl:確定LED燈具的結構，對LED燈具和LED燈珠進行建模； 步驟S2 :對LED燈具和LED燈珠模型進行簡化； 步驟S3 :對簡化後的LED燈具和LED燈珠模型進行數值模擬驗證； 步驟S4 :根據步驟S2和步驟S3得出結論，確定LED燈具的導熱布置和散熱方案是否 可行。
2. 根據權利要求1所述的LED燈設計驗證方法，其特徵在於，所述步驟Sl中，採用CAD 軟體設計LED燈具的結構和對LED燈珠建模。
3. 根據權利要求2所述的LED燈設計驗證方法，其特徵在於，所述步驟S2中，對LED 燈具和LED燈珠模型進行簡化，採用Icepak軟體的多尺寸網格劃分功能，對燈珠結構和燈 具的重要部件處採用較密的網格，而對自由空間內則採用較稀的網格；已知燈珠熱阻和燈 珠功率，直接將燈珠等效成一個無厚度的發熱面，通過Ansys軟體的Icepak模塊模擬得到 基底表面溫度後，將基底表面熱阻與晶片間熱阻考慮進去，代入公式（3)，得到燈具的結溫： Tjunction T substrate+ (Rdie+尺Solder) X P· ⑶，其中，Tjmrtim為結溫，TsubstMte為基底表面溫度，Rdie為燈珠熱阻，RSldOT為錫膏層熱 阻，P為燈珠發熱功率。
4. 根據權利要求3所述的LED燈設計驗證方法，其特徵在於，所述步驟S3中，進行數 值模擬驗證時採用Ansys軟體的Icepak模塊對LED燈具進行熱分析，得出LED燈具中的 最高溫度，具體步驟為：將利用CAD軟體設計好的LED燈具結構和LED燈珠模型導入Ansys Modeler模塊，進行簡單修改和簡化後再導入Icepak模塊，設置材料性質、邊界條件以及求 解方法，劃分網格，藉助Fluent軟體進行求解。
5. -種如權利要求4所述的LED燈設計驗證方法，其特徵在於，當LED燈為外掛式LED 汽車改裝燈時，具體包括以下步驟： 步驟Sl:確定LED燈具的結構：利用CAD軟體設計確定外掛式LED汽車改裝燈具、燈具 中部基板上的仿流明燈珠以及燈具底部COB封裝燈珠的結構； 對LED燈具和LED燈珠進行建模：仿流明燈珠焊接在車燈內的鋁基印刷電路板上，位於 外掛式LED汽車改裝燈的中部，發熱功率為7W，採用熱沉式SMT封裝，確定燈珠內的各材料 層、厚度及熱導率；COB封裝燈珠安裝在外掛式LED汽車改裝燈的底部，發熱功率為14W，燈 珠內包含LED晶片陣列，其中燈珠下部的基板採用直接鍵合銅板，確定燈珠內的各材料層、 厚度及熱導率； 步驟S2 :對LED燈具和LED燈珠模型進行簡化：採用Icepak軟體的多尺寸網格劃分 的功能，對仿流明燈珠、COB封裝燈珠模型和外掛式LED汽車改裝燈具的重要部件處採用較 密的網格，而對自由空間內則採用較稀的網格；同時，採用等效熱導率的方式處理功率電路 板： 對於仿流明燈珠的鋁基印刷電路板，其等效熱導率為：
⑴式採用了串聯熱阻公式計算，其中，λΜ_表示鋁基印刷電路板的熱導率，δ表示 鋁基印刷電路板的總厚度=Scu+δMsin+δA1，S01表示銅電路層的厚度，λCu代表銅電路層 的熱導率，δ_in表示介電層的厚度，λ_^代表介電層的熱導率，δA1表示鋁基板的厚度， λA1代表鋁基板的熱導率。 對於COB封裝燈珠的直接鍵合銅板，其等效熱導率為：
η (2)式採用了串聯熱阻公式計算，其中，Xdbc表示直接鍵合銅板的熱導率，
6。111表示銅電路層的厚度，Aail代表銅電路層的熱導率，表示介電層的厚度， 代表介電層的熱導率，S^l2表示銅基底的厚度，λ^代表銅基底的熱導率； 已知燈珠熱阻和燈珠功率，直接將燈珠等效成一個無厚度的發熱面，通過Ansys軟體 的Icepak模塊模擬得到基底表面溫度後，將基底表面熱阻與晶片間熱阻考慮進去，得到燈 珠的結溫： Tjunction T substrate+ (Rdie+Rs〇lder) X Ρ· (3) 其中，1^。"?為結溫，Tsubstrate為基底表面溫度，Rdie為燈珠熱阻，Rstjldw為錫膏層熱阻，P為燈珠發熱功率；通過公式（3)計算得到外掛式LED汽車改裝燈的結溫為125°C; 步驟S3 :對簡化後的LED燈具和LED燈珠模型進行數值模擬驗證： 模擬在靜止狀態，僅存在自然對流的條件下利用Ansys軟體的Icepak模塊對外掛式LED汽車改裝燈內的溫度分布進行熱分析，得到外掛式LED汽車改裝燈、仿流明燈珠和COB 封裝燈珠的溫度分布：最高溫度在外掛式LED汽車改裝燈中部設置的的仿流明燈珠處，該 處溫度為l〇7°C; 模擬在行駛狀態下，假設外掛式LED汽車改裝燈迎面的風速為lOm/s，得到此時外掛式LED汽車改裝燈、仿流明燈珠和COB封裝燈珠的溫度分布：由於風速帶來的強迫對流，燈殼 溫度已接近環境溫度25°C，而此時外掛式LED汽車改裝燈內燈珠的最高溫度僅為79°C; 步驟S4 :根據步驟S2和步驟S3得出結論，確定LED燈具的導熱布置和散熱方案是否 可行：通過對外掛式LED汽車改裝燈具結構的建模與數值模擬，對於外掛式LED汽車改裝 燈的設計有如下結論：1.根據公式（1)和（2)可以得出，鋁基印刷電路板的等效熱導率為 12. 3WAm·K)〈直接鍵合銅板的等效熱導率為193. 6WAm·K)，COB封裝燈珠的散熱性能要 優於仿流明燈珠的散熱性能，主要是因為DBC板的散熱性能更好，並且COB封裝燈珠減少了 焊錫層；2.在靜止狀態下，外掛式LED汽車改裝燈具內燈珠的最高溫度為107°C，在行駛狀 態下，外掛式LED汽車改裝燈具內燈珠的最高溫度為79°C，都小於外掛式LED汽車改裝燈的 結溫125°C，均在LED燈的安全工作溫度內，該設計符合散熱要求。
6. -種如權利要求4所述的LED燈設計驗證方法，其特徵在於，當LED燈為可替換式 LED前大燈時，具體包括以下步驟： 步驟Sl:確定LED燈具的結構，對LED燈具和LED燈珠進行建模：利用CAD軟體設計確 定豎排布置翅片的可替換式LED前大燈、橫排布置翅片的可替換式LED前大燈以及可替換 式車燈基板上燈珠布置的結構；可替換式LED前大燈採用I. 6mm*l. 6_的大功率燈珠陣列， 每個燈珠的熱阻約〇. 4C/W; 步驟S2 :對LED燈具和LED燈珠模型進行簡化：採用Icepak軟體的多尺寸網格劃分的 功能，對豎排布置翅片的可替換式LED前大燈、橫排布置翅片的可替換式LED前大燈的重要 部件處和可替換式車燈基板上的燈珠結構，採用較密的網格，而對自由空間內則採用較稀 的網格；已知燈珠熱阻和燈珠功率，直接將燈珠等效成一個無厚度的發熱面，通過Ansys軟 件的Icepak模塊模擬得到基底表面溫度後，將基底表面熱阻與晶片間熱阻考慮進去，得到 燈珠的結溫： Tjunction T substrate+ (Rdie+Rs〇lder) X P· (3) 其中，1^。"?為結溫，Tsubstrate為基底表面溫度，Rdie為燈珠熱阻，Rstjldw為錫膏層熱阻， P為燈珠發熱功率，考慮到燈珠和焊錫層的熱阻，根據公式（3)，可替換式LED前大燈的結溫 為 120。； 步驟S3 :對簡化後的LED燈具和LED燈珠模型進行數值模擬驗證：利用Ansys軟體的Icepak模塊對豎排布置翅片的可替換式LED前大燈和橫排布置翅片的可替換式LED前大燈 進行熱分析： 在常溫下25°C，豎排布置翅片的可替換式LED前大燈具內的最高溫度大約為118°C〈 結溫120°C，在LED燈的安全工作溫度內，可以滿足在常溫下工作的要求；但是如果將豎排 布置翅片的可替換式LED前大燈置於車廂內環境工作時，車廂內溫度為65°C，燈珠將失效； 橫排布置翅片的可替換式LED前大燈具的溫度分布與豎排布置翅片的可替換式LED前 大燈的溫度分布一致：可以滿足在常溫25°C下工作的要求，但在車廂內環境工作時，車廂 內溫度為65°C，燈珠將失效； 步驟S4 :根據步驟S2和步驟S3得出結論，確定LED燈具的導熱布置和散熱方案是否 可行：通過對可替換式LED前大燈具結構的建模與數值模擬，對於可替換式LED前大燈的 設計有如下結論：橫排布置翅片的可替換式LED前大燈的散熱效果與豎排布置翅片的可替 換式LED前大燈的散熱效果相當，在常溫25°C下，兩者可以滿足工作要求，燈珠溫度〈結溫 120°C;但是如果將可替換式LED前大燈置於車廂內環境工作時，車廂內溫度為65°C，橫排 布置翅片的可替換式LED前大燈和豎排布置翅片的可替換式LED前大燈的燈珠都將失效， 需要其他的輔助散熱手段使可替換式LED前大燈滿足散熱要求。
【文檔編號】G06F17/50GK104462648SQ201410615201
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月5日 優先權日:2014年11月5日
【發明者】何孝文, 曾明虎, 張力, 張克強, 張任 申請人:佛山克萊汽車照明股份有限公司