LED热设计及仿真应用

传热学发展简介
• 18世纪30年代，传热学在工业革命的大背景下发展成长起 来。导热和对流两种基本热传导方式早为人们所认识，第 三种热量传递方式则是在1903年发现了红外线才确认的， 它就是热辐射方式。 • 三种方式的基本理论的确立经历了各自独特的历程。
传热学发展简介
热传导 • 两个著名实验：1798年伦福特(B.T.Rumford)钻炮筒大量 发热实验；1799年戴维(H.Davy)两块冰块摩擦生热化为水 的实验。 • 1804年毕渥根据实验提出，每单位时间通过单位面积的导 热量正比例于两侧表面的温差，反比例与壁厚，比例系数 是材料的物理性质。 • 1822年傅里叶在实验的基础上重视数学工具的运用，发表 了著名“热的解析理论”，奠定了导热理论的基础。
冷却方法选择
LED的散热方法应使LED与被冷却表面或散热器之间有一条低热阻的 传热路径。 利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容易控制。而辐射换热则 需要比较高的温差，且传热路径不容易控制。对流换热需要较大的面 积，在安装密度较高的环境下难以满足要求。 大多数LED产品均可采用自然冷却方法。 强迫空气冷却是一种较好的冷却方法。
冷却方法选择
示例：功耗为300W的电子组件，拟将其装在一个248mm×
381mm×432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜采取 特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？
体积功率密度：
300 = 7350W / m 3 = 0.00735W / cm3 V 0.248 × 0.381× 0.432 热流密度： 300 = 410W / m 2 = 0.041W / cm 2 φ= 2 × (0.248 × 0.381 + 0.248 × 0.432 + 0.381× 0.432)
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热设计流程
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LED散热基本因素
热量传递的三种基本方式：导热、对流和热辐射。
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导热
导热是物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由 电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。 例如，固体内部的热量传递和不同固体通过接触面的热量传递都是 导热现象。芯片向壳体外部传递热量主要就是通过导热。
φV =
φ
=
查图表可知，φV与φ值均接近空气自然冷却的最大值，因此不需要采取特殊冷 却方法，依靠空气的自然对流散热就足够了。 若采用强迫风冷，热流密度为3000W/m2，因此，采用风冷时，可以把机柜表 面积减小到0.1m2（自然冷却所需的面积为0.75m2）。
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对流
External Flow 外流
Internal Flow 内流
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对流
层流
湍流
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热辐射
辐射是物体通过电磁波来传递能量的方式，因热的原因产生的电磁 波辐射现象称为热辐射。 所有温度大于0 K的物体均发生热幅射 几乎所有热幅射发生在红外波长范围 热辐射可以在真空中进行，且真空中传递效率最高 能量传递率与表面条件及相关物体间的视角有关 辐射发射率ε（又称黑度），数值范围在0～1之间，大小与方向 有关，一般定义为法向发射率εn ，理想的黑体发射率为1。 在自然对流中，辐射与对流比重在3：7～5：5之间，温度升高， 辐射比重会增加。
• • • • 供冷却系统使用的电源的限制（交流或直流及功率） 对强迫冷却设备的振动和噪声的限制 对强迫空气冷却设备的空气出口温度的限制 对冷却系统的结构限制（包括安装条件、密封、体积和重量等）
热设计应符合与其相关的标准、规范规定的要求
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热设计应考虑的问题
应对冷却方法进行权衡分析，使设备的寿命周期费用降至最低，而可 用性最高 热设计必须与维修性设计相结合，提高设备的可维修性 设备中关键的部件或器件，即使在冷却系统某些部分遭到破坏或不工 作的情况下，应具有继续工作的能力 对于强迫空气冷却，冷却空气的入口应远离其它设备热空气的出口， 以免过热 舰船用电子设备，应避免在空气的露点温度以下工作；机载设备宜采 用间接冷却
冷却方法选择
温升为 40℃时，各种冷却方法的 热流密度和体积功率密度值
冷却方法选择
冷却方法可 以根据热流 密度和温升 要求，按下 图关系进行 选择。这种 方法适用于 温升要求不 同的各类设 备的冷却
冷却方法选择
常用冷却方法对流换热系数及表面热流密度值
冷却方法选择
常用冷却技术单位面积的最大热流功耗
对流必然伴随有导热现象。
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对流
对流分为自然对流和强迫对流两大类。 自然对流是由于流体冷、热各部分的密度不同而引起的。 强迫对流是由于泵、风机或其他压差作用所造成的。
自然对流
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强迫对流
对流
对流换热系数
对流换热系数的变化范围很大，对于强迫风冷来说，大致在几 十这个数量级，大的可以上百。 沸腾换热及凝结换热也属于对流问题，它们是伴随有相变的对 流换热。
增强导热的方法：缩短路径；增大面积；提高导热系数
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导热
铝的导热系数高且密度低， 所以散热器基本都采用铝 合金加工，但在一些大功 率芯片散热中，为了提升 散热性能，常采用铝散热 器嵌铜块或者铜散热器
导热系数对温度的依变关系
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对流
对流是由于流体的宏观运动，从而流体各部分之间发生相对位移，冷热 流体相互掺混所引起的热量传递过程。
热设计基本要求
随着电子产品的功能不断提升，体积不断缩小，经常工作在高温封 闭的恶劣环境中，电子产品的散热问题日益突出。跟据相关资料，由于 散热问题导致的电子产品失效占到了55%。 电子元件的故障发生率是随工作温度的提高而呈指数关系增长的， 研究资料表明：单个半导体元件的温度每升高10℃，寿命减少一半。
冷却方法选择
散热器冷却方式的判据
对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于0.039W/cm2， 可采用自然风冷。 对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于0.024W/cm2， 可采用自然风冷。 通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度大于0.039W/cm2而小 于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。 通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度大于0.024W/cm2而 小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。
传热学发展简介
对流换热 • 对流换热理论的基础是流体流动理论 • 1823年纳维(M.Navier) 提出的适用于不可压缩流体的流动 方程，1845年斯托克斯(G.G.Stokes)对此进行了改进，从 而完成了描述流体流动的纳维—斯托克斯方程。 • 1880年雷诺(O.Reynolds)提出了对流动有决定性影响的无 量纲物理量群，即雷诺数。 • 1909年和1915年努塞尔(W.Nusselt)对强制对流和自然对 流的基本微分方程及边界条件进行量纲分析获得了有关无 量纲数之间的原则关系，有力地促进了对流换热研究的发 展。
传热学发展简介
热辐射 • 1889年卢默(O.Lummer)等人测得了黑体辐射光谱能量分 布的实验数据 • 19世纪末斯忒藩(J.Stefan)根据实验确立了黑体辐射力正 比于它的绝对温度的四次方的规律，后来在理论上被波尔 兹曼(L.Boltzmann)所证实。 • 1900年普朗克(M.Planck)提出了著名的能量子假说，揭示 了黑体辐射能量光谱分布的规律。直到1905年爱因斯坦 (A.Einstein)的光量子研究得到公认后，普朗克公式才被科 学家认同。
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热设计应考虑的问题
应考虑太阳辐射给电子设备带来的热问题，应有相应的防护措施 应具有防止诸如燃料油微粒、灰尘、纤维微粒等沉积物和其它老化的 措施，以免增大设备的有效热阻，降低冷却效果 应尽量防止由于工作周期、功率变化、热环境变化以及冷却剂温度变 化引起的热瞬变，使器件的温度波动减小到最低程度 应选择无毒性的冷却剂；直接液体冷却系统的冷却剂应与元器件及相 接触的表面相容，不产生腐蚀和其它化学反应
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热阻
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LED自然冷却设计
冷却方法分类
• • • • • • • • 按冷却剂与被冷元件之间的配置关系 直接冷却 间接冷却 按传热机理 自然冷却（包括导热、自然对流和辐射换热的单独作用或两种以上换 热形式的组合） 强迫冷却（包括强迫风冷和强迫液体冷却等） 蒸发冷却 热电致冷 热管传热 其它冷却方法
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对流
影响对流换热的因素 流体流动的起因（强迫对流or自然对流） 强迫对流比自然对流h值大 流体有无相变（凝固or凝华or液化or气化） 流体的流动状态（层流or湍流） 湍流比层流 h值大 换热表面的几何因素（形状、大小、粗糙度、换热表面与流体运 动方向的相对位置） 粗糙表面比光滑表面h值大 流体的物理性质（密度、动力粘度、导热系数、比热容） 液体比气体h值大
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热辐射
常用材料表面的法向发射率
高度磨光的金属表面：
ε = 1.2ε n
具有光滑表面的非金属物体：
ε = 0.95ε n
表面粗糙的物体：
ε = 0.98ε n
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热阻
• 热量传递过程中，温度差是过程的动力，好象电学中的电压，换热量 是被传递的量，好像电学中的电流，因而上式中的分母可以用电学中 的电阻概念来理解成导热过程的阻力，称为热阻（thermal resistance），单位为℃/W。其物理意义就是传递 1W 的热量需要多 少度温差。 • 在热设计中将热阻标记为R或θ。δ/(λA)是导热热阻，1/αA是对流换热 热阻。器件的资料中一般都会提供器件的Rjc和Rja热阻，Rjc是器件 的结到壳的导热热阻；Rja是器件的结到壳导热热阻和壳与外界环境 的对流换热热阻之和。这些热阻参数可以根据实验测试获得，也可以 根据详细的器件内部结构计算得到。根据这些热阻参数和器件的热耗， 就可以计算得到器件的结温。
传热学发展简介
数值传热学 • 随着计算机的迅速发展，用数值方法对传热问题的分析研 究取得了重大进展，在20世纪70年代已经形成一个新兴分 支——数值传热学。 • 随着科技的发展，传热学已经发展成为一门理论体系初具 和发展充满活力的基础学科。能源技术、环境技术、材料 科学、微电子技术、空间技术等新兴科学技术的发展，向 传热学提出了新的课题和挑战。
电子设备预期工作的热环境包括：
• • • • • 环境温度和压力（或高度）的极限值 环境温度和压力（或高度）的变化率 太阳或周围其它物体的辐射热载荷 可利用的热沉状况（包括：种类、温度、压力和湿度等） 冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降
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热设计基本要求
热设计应满足对冷却系统的限制要求
LED热设计及CAE仿真应用
2011-4-20
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电子产品热设计的要求及方法 ； 影响LED散热的基本因素； LED自然冷却设计与仿真 ； 肋片散热器、热管散热器设计 ； LED路灯热设计实例 ； CAE仿真在LED热管理系统中的应用实例； 大功率LED封装散热技术及国外专利分析
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热设计基本要求
热设计应满足设备可靠性的要求
大多数电子元器件过早失效的主要原因是由于过应力（即电、热或机 械应力）。电应力和热应力之间存在紧密的内在联系，减小电应力（ 降额）会使热应力得到相应的降低，从而提高器件的可靠性。 如硅PNP型晶体管，其电应力比为0.3时，高温130℃的基本失效率为 13.9×10-6h-1，而在25℃时的基本失效率为2.25×10-6h-1，高低温失 效率之比为6:1。冷却系统的设计必须在预期的热环境下，把电子元 器件的温度控制在规定的数值以下。
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热设计基本要求
工程上为简便计算，通常采用元器件经降额设计后允许的最高温度值做 为热设计目标。
双极性数字电路降额准则 降额参数 频率 输出电流 最高结温℃ 降额等级 Ⅰ 0.80 0.80 85 Ⅱ 0.90 0.90 100 Ⅲ 0.90 0.90 115
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热设计基本要求
热设计应满足设备预期工作的热环境的要求
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对流
增强对流换热的措施 自然对流 1、流体所占空间尽量大，如露天工作； 2、传热表面尽量多地垂直于水平面； 3、垂直方向的传热表面高度尺寸要小； 4、若传热表面必须是水平的，则应在机壳上方； 5、传热面积要大，表面要光 强迫对流 1、液体较气体好； 2、高流速； 3、不平或带槽的表面； 4、大面积