摘? 要：針對(duì)鹵素?zé)羰褂脡勖?、發(fā)光效率低等缺點(diǎn)，基于熱電分離式理念設(shè)計(jì)出一種新型金屬基板（MCPCB，Metal Core Printed Circuit Board），并將其與25W的LED燈珠組裝成模組之后開(kāi)發(fā)出一款大功率LED車(chē)燈光源。同時(shí)，利用紅外線成像儀及積分球系統(tǒng)對(duì)相同功率的鹵素車(chē)燈與LED車(chē)燈的發(fā)光表面溫度以及光學(xué)特性進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)境溫度為25±1℃時(shí)，鹵素?zé)舯砻孀罡邷囟却笥?50℃，而LED車(chē)燈表面最高溫度僅為127℃;當(dāng)LED能耗為鹵素?zé)舻?6.64%時(shí)，其對(duì)應(yīng)的光學(xué)特性指標(biāo)，如光通量、光功率及光效分別為后者的3.67倍、1.74倍、6.52倍，表現(xiàn)出強(qiáng)大的性能優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：鹵素?zé)?MCPCB;熱電分離;LED車(chē)燈光源;發(fā)光表面溫度;光學(xué)特性

中圖分類(lèi)號(hào)：TN305.94? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）10-0067-03

Abstract： In order to address the shortcomings such as short lifetime and insufficient luminousefficiency of halogen lamp， a novel MCPCB（Metal Core Printed Circuit Board）in light of thermoelectric separation concept was designed and fabricated. This new MCPCB was then mounted with 30W LED for the preparation of LED module which was later turned into a high-power LED automobile lamp. Meanwhile， the luminous surface temperature and optical characteristic of the above mentioned LED automobile lamp and halogen lamp of the same power were investigated for a comparativestudy. It was found that the highest luminous surface temperature of halogen lamp was more than 350℃ and that of LED automobile lamp was 127℃; When the energyconsumption of LED automobile lamp was only 47.04% of that of the halogen lamp， its opticalperformances such as luminous flux， luminous power and luminous efficiency were 2.7 times， 1.45 times and 5.62 times as much as that of the counterpart.

Keywords： halogen lamp; MCPCB; thermoelectric separation; LED automobilelamp; luminous surface temperature; optical properties

1 概述

眾所周知，在LED的發(fā)展過(guò)程中，散熱問(wèn)題一直是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題，而散熱基板材料的選擇則成為L(zhǎng)ED封裝散熱至關(guān)重要的一環(huán)[1]。高效的散熱基板材料能有效降低LED的結(jié)溫，同時(shí)改善其綜合性能，增強(qiáng)其對(duì)周?chē)h(huán)境的適應(yīng)能力[2]。一般而言，目前最為常用的散熱基板材料有金屬基板（MCPCB，Metal Core Printed Circuit Board）和陶瓷兩種[3]。其中，MCPCB因受制于絕緣層，其導(dǎo)熱率較為低下，不適合中大功率LED的散熱需求[4]。而陶瓷基板因?yàn)閮r(jià)格昂貴、加工成本較高以及脆性較大的緣故使得其應(yīng)用受限[5]。鑒于此，本文借鑒熱電分離式理念[6]，設(shè)計(jì)出一種散熱性能良好的新型MCPCB，并將其應(yīng)用于LED封裝散熱，開(kāi)發(fā)出一種適合汽車(chē)照明的大功率LED車(chē)燈光源。同時(shí)，通過(guò)對(duì)鹵素?zé)襞cLED燈的光、電、熱性能進(jìn)行對(duì)比研究，凸顯LED車(chē)燈光源相對(duì)于鹵素?zé)舻木薮髢?yōu)勢(shì)，為L(zhǎng)ED車(chē)燈照明工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

2 LED車(chē)燈光源的設(shè)計(jì)

圖1所示是LED車(chē)燈光源的結(jié)構(gòu)圖，它由LED模組、散熱體及外接驅(qū)動(dòng)（略）所組成。其中，LED模組是通過(guò)SMT工藝在高溫下利用錫膏對(duì)LED與焊盤(pán)的潤(rùn)濕性將LED燈珠焊接在散熱基板上所獲得，如圖1b所示[6]。在圖1b中所使用的新型MCPCB與普通MCPCB不同，普通MCPCB由“金屬基座-絕緣層-線路層”所組成，層與層之間互不連通，僅僅依靠絕緣層的粘性實(shí)現(xiàn)連接。而在這種新型MCPCB中，金屬基座被加工成了凸臺(tái)狀，且凸臺(tái)貫穿絕緣層與線路層成為L(zhǎng)ED的安放點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器設(shè)備

原材料：LED車(chē)燈光源、鹵素?zé)簟?/p>

儀器設(shè)備：RNO IR160紅外線成像儀、伏達(dá)UI2058電源綜合性能測(cè)試儀、積分球系統(tǒng)（遠(yuǎn)方2m積分球&HAAS-2000光譜輻射計(jì)）、力茲LEDT-300B結(jié)溫測(cè)試儀。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

參照IEC62384：2006標(biāo)準(zhǔn)，利用電源綜合性能測(cè)試儀對(duì)LED與鹵素?zé)舻碾妷?、電流、功率、及功率因?shù)等電性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試;參照GB/T 19870-2018標(biāo)準(zhǔn)，利用紅外線成像儀分別對(duì)LED及鹵素?zé)舻陌l(fā)光表面溫度進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)設(shè)置環(huán)境溫度為25±1℃，設(shè)置輸入電壓恒壓12V;參照GBT 24824-2009標(biāo)準(zhǔn)，利用積分球系統(tǒng)對(duì)LED與鹵素?zé)舻墓馔?、光功率、光效、主波長(zhǎng)、色溫等光學(xué)性能進(jìn)行表征，同時(shí)設(shè)置環(huán)境溫度為25±1℃。

4 分析與討論

如表1所示，當(dāng)LED與鹵素?zé)舻妮斎腚妷壕鶠?2V時(shí)，前者的輸入電流為2.56A，而后者的輸入電流達(dá)到了4.54A，兩者的總功率則分別為30.72W和54.5W，前者能耗僅為后者的56.64%。

分別是利用紅外線成像儀對(duì)LED及鹵素?zé)舭l(fā)光表面的溫度測(cè)試結(jié)果。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，因鹵素?zé)敉ㄟ^(guò)鎢絲發(fā)熱而發(fā)光，所以其發(fā)光表面的最高溫度達(dá)到了350℃以上。而LED通過(guò)PN結(jié)內(nèi)部的電子與空穴的復(fù)合而發(fā)光，且由于在本案例中使用了熱電分離式MCPCB作為散熱基板，所以其發(fā)光表面的最高溫度僅僅為127℃。有研究指出[7-8]，金屬凸臺(tái)雖然由自由電子的運(yùn)動(dòng)和聲子傳播共同實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞，但是仍然以自由電子的運(yùn)動(dòng)為主，聲子的傳播占比極小。而絕緣層因主要由聚合物所組成，不含自由電子，其傳熱主要依靠聲子傳播來(lái)進(jìn)行。同時(shí)，因熱電分離式MCPCB的散熱凸臺(tái)與絕緣層之間的熱傳導(dǎo)主要依靠聲子來(lái)實(shí)現(xiàn)，而二者之間又存在著一個(gè)較大的界面熱阻，會(huì)對(duì)聲子形成散射。所以，大部分熱量就被限制在散熱凸臺(tái)之內(nèi)。此時(shí)，因凸臺(tái)與基座本為一體，因此為熱量的傳輸提供了極為有利的通道。因此，較之普通的MCPCB，熱電分離式MCPCB具備壓倒性的散熱優(yōu)勢(shì)，這便是LED發(fā)光表面溫度僅為127℃的一個(gè)重要原因。

其中LED其波長(zhǎng)為380nm-780nm，均在可見(jiàn)光范圍之內(nèi)，而鹵素?zé)艄庾V含有少量的紫外成分及大量的紅外成分，且只有部分光譜在380nm-780nm的可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍之內(nèi)，而另外一部分光譜則分布在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍之外。另外，鹵素?zé)舻纳珳貫?976K，對(duì)應(yīng)光的顏色為黃色。而LED色品圖中的色溫為6144K，對(duì)應(yīng)光的顏色為白色，顯然更適用于汽車(chē)燈的照明。結(jié)合積分球系統(tǒng)所測(cè)得的其它參數(shù)，鹵素?zé)襞cLED燈的光色參數(shù)如表2所示。從表中可以看出，LED的光通量為2897lm，鹵素?zé)舻墓馔繛?88.2lm，前者是后者的3.67倍;LED的輻射通量為8.475W，鹵素?zé)舻妮椛渫繛?.843W，前者是后者的1.74倍;LED的出光效率為94.30lm/W，鹵素?zé)舻某龉庑蕿?4.46lm/W，前者是后者的6.52倍。前文已述及，熱電分離式散熱基板較之普通的MCPCB具備極大的散熱優(yōu)勢(shì)。因此[9]，LED車(chē)燈光源在使用熱電分離式MCPCB進(jìn)行散熱時(shí)，LED的結(jié)溫會(huì)較之使用普通MCPCB時(shí)出現(xiàn)大幅度降低。而結(jié)溫降低會(huì)導(dǎo)致藍(lán)光芯片的輻射復(fù)合效率會(huì)有所增加，這樣便有效提升了LED的電光轉(zhuǎn)換效率，從而增加了藍(lán)光輻射。同時(shí)[10-11]，由于LED結(jié)溫降低，位于藍(lán)光芯片上方的熒光粉層的溫度也會(huì)隨之而降低，從而熒光粉的熒光效率也會(huì)升高，最終使得LED的光通量、輻射通量與光通量光效均有較大的提升，這便是利用熱電分離式MCPCB進(jìn)行安熱的LED車(chē)燈光源在能耗低于鹵素?zé)舻那疤嵯?，卻能獲得較高的能效的主要原因之一。

5 結(jié)論

熱電分離式MCPCB可利用金屬凸臺(tái)進(jìn)行高效熱傳導(dǎo)，較之普通MCPCBG具備極大的散熱優(yōu)勢(shì)，可大幅降低LED的結(jié)溫，增強(qiáng)LED的光通量、輻射通量及出光效率等光學(xué)性能，是大功率LED取代鹵素?zé)糇鳛槠?chē)照明光源的理想散熱基板材料，有望加快LED車(chē)燈照明升級(jí)換代的進(jìn)程。

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