热学基础知识介绍
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热学基础知识介绍
陈志高 2013-07-13
内容
一、热学基本术语 二、散热基本方式 三、LED灯具散热系统 四、常见散热器种类 五、界面导热材料 六、PCB介绍 七、热仿真技术
一、热学基本术语
1、温升
元器件温度与环境温度的差，假如元器件温度为60℃，环境 温度为25℃，则温升为35℃
2、热耗
指元器件正常运行时产生的热量。热耗不等同于功耗，功耗 指器件的输入功率。一般电子元器件的效率比较低，大部分 功率都转化为热量。 LED的光电转换效率一般在10%~40%，即60%~90%能量转化 为热量。
4、增强散热的方式
✓增加有效散热面积，如安装散热器。 ✓增加流过表面的风速，可以增加换热系数。 ✓尽量减小导热界面的接触热阻。在接触面可以使用 导热硅胶（绝缘性能好）或铝箔等材料。 ✓破坏层流边界层，增加扰动。如在散热器表面增加 不规则凸起（强制对流）。 ✓采用辐射率高的表面处理方式，增加辐射散热量。
− Q代表热量，W； − A为有效对流换热面积，m2； − ΔT代表固体壁面与周围流体之间的温度差, ℃； − h为对流换热系数，W/(m2.℃)
✓ 空气自然对流时换热系数在1~10W/(m2.℃)量级，实际应 用时一般不会超过3~5W/(m2.℃)； ✓强制对流时换热系数在10~100 W/(m2.℃)量级，实际应用 时一般不会超过30W/(m2.℃)。
部分金属材料导热系数:
2、对流
对流是由运动着的流体与流体流经的固体表面之间存在 的温差产生的换热现象。
根据流动的起因不同，可分为：
✓强制对流换热 是由于泵、风机或其他外部动力源所造成的。
✓自然对流换热 是由于流体自身温度场的不均匀性造成不均匀的密度场， 由此产生的浮升力成为运动的动力。
基本计算公式：Q=h×A×ΔT
三、LED灯具散热系统
热阻：Rja=Rjs+Rsb+Rba=(Tj-Ta)/Pd
四、散热器材质
1、金属材料(铝合金)
导热性能好——相对其它固体材料，金属具有更好的热传导能力； 易于加工——延展性好，高温相对稳定，可采用各种加工工艺； 易获取——虽然金属也属不可再生资源，但供货量大，不需特殊工序，价格也
从PN结(j)到焊点(sp)的热阻。
Rj-sp=(Tj-Tsp)/Pd
其中， Pd为LED功率，W Pd=正向电流IF(A) *正向电压VF (V)
8、LED结温的计算
✓ PN产生的热量从芯片开始沿着下述通道传递： 芯片结点→LED基底→线路板→导热界面材料→散热器壳 体→环境（空气）
✓ LED的P-N结区温度一般无法直接测量得到。通过热电偶 测量LED焊点温度来推算结温。
✓LED的基本结构是一个半导体的P-N结。 ✓一般把P-N结区的温度定义为LED的结温。 ✓LED的P-N结区温度一般无法直接测量得到。
LED结温过高将会影响LED的： ✓光衰 ✓寿命 ✓光通量 ✓正向电压
一般电子零件的温度每上升10℃，寿命就缩短约一半。温 度每上升2℃，可靠性将下降10%。
7、LED热阻Rj-sp
Tj =wenku.baidu.comTsp + Pd×R(j-sp)
二、散热基本方式
热量传递有三种方式：
➢导热 ➢对流 ➢辐射
它们可以单独出现，也可能 两种或三种形式同时出现。
1、导热
热从物体高温部分沿着物体传到低温部分或热从高温物 体传递到与之接触的低温物体，叫做热传导。
基本计算公式：Q=K×A×ΔT/L
−Q代表为热量，W； −A为接触面积，m2； −L为传热路径长度，m； −ΔT为传热路径两端温差，℃； −K为材料的导热系数，W/(m.℃)，表示材料导热能力的 大小。 一般来说，固体的导热系数大于液体，液体的大于气体。
工程中常用的减小接触热阻的主要措施： ✓ 加大接触表面之间的压力； ✓ 提高两个接触面的加工精度； ✓ 接触表面之间加导热膏等材料； ✓ 在结构强度许可的条件下，选用软的金属材料制作散热器
或器件的壳体。
5、热流密度
单位面积上的传热量，单位W/m2等。 热流密度越大，散热越难解决。
6、LED结温Tj
五、常见散热器种类
1、铝挤型散热器
常用材料：AA6063、AA6061等铝合金
相对低廉；
2、陶瓷
陶瓷材料有着绝缘性好、热导率高、红外辐射率大、膨胀系数低的特点，完 全可以成为LED照明的新材料。目前，陶瓷材料主要用于LED封装芯片的热沉 材料、电路基板材料和灯具散热器材料。
3、导热塑料
大多为以工程塑料和通用塑料为基材，如PP、ABS、PC、PA、LCP、PPS、PEEK 等。然后在塑料中填充某些金属氧化物粉末、碳、纤维或陶瓷粉末而成。其 典型的热传导率范围为1~20W/m-K，一般塑料的热传导率只有0.2W/m-K。
−Q代表热量，W； −A代表有效辐射面积，m2； −σ代表辐射常数，其值为5.67X10-8W/m2K4 −T1和T2分别指的是物体和环境的绝对温度(=摄氏温度值 +273.15)，单位K； −ε是表面的黑度或辐射率。指实际物体的辐射力和同温度 下黑体的辐射力之比，在0~1之间。
✓辐射率取决于物质种类、表面温度和表面状况，与外界 条件无关，也与颜色无关。 ✓表面粗糙、氧化、无光泽，黑度大，辐射散热能力强。 ✓对于金属外壳，可进行表面处理如阳极氧化、喷漆等来 提高黑度，强化散热。
3、热辐射
✓辐射是物体通过电磁波来传递能量的过程。 ✓物体的温度高于绝对零度时发出电磁波的过程，称 为热辐射。 ✓两个物体之间通过热辐射传递热量称为辐射换热。 ✓辐射换热可以在真空中进行。 ✓热辐射波长λ=0.1-100μm，大部分辐射能量集中在红 外波段，其中可见光λ=0.4-0.8μm。
基本计算公式：Q=Aεσ(T14-T24)
3、热阻
热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热 能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为 ℃/W或K/W。用热耗乘以热阻，即可获得该传热路径上的 温升。R=△T/P
4、接触热阻
接触界面所产生的热阻。主要因为两个名义上相接触的固 体表面，实际上接触仅发生在一些离散的面积元上，在未 接触的界面之间的间隙常充满了空气（0.026W/mK），热 量将以导热和辐射的方式穿过该间隙层。
陈志高 2013-07-13
内容
一、热学基本术语 二、散热基本方式 三、LED灯具散热系统 四、常见散热器种类 五、界面导热材料 六、PCB介绍 七、热仿真技术
一、热学基本术语
1、温升
元器件温度与环境温度的差，假如元器件温度为60℃，环境 温度为25℃，则温升为35℃
2、热耗
指元器件正常运行时产生的热量。热耗不等同于功耗，功耗 指器件的输入功率。一般电子元器件的效率比较低，大部分 功率都转化为热量。 LED的光电转换效率一般在10%~40%，即60%~90%能量转化 为热量。
4、增强散热的方式
✓增加有效散热面积，如安装散热器。 ✓增加流过表面的风速，可以增加换热系数。 ✓尽量减小导热界面的接触热阻。在接触面可以使用 导热硅胶（绝缘性能好）或铝箔等材料。 ✓破坏层流边界层，增加扰动。如在散热器表面增加 不规则凸起（强制对流）。 ✓采用辐射率高的表面处理方式，增加辐射散热量。
− Q代表热量，W； − A为有效对流换热面积，m2； − ΔT代表固体壁面与周围流体之间的温度差, ℃； − h为对流换热系数，W/(m2.℃)
✓ 空气自然对流时换热系数在1~10W/(m2.℃)量级，实际应 用时一般不会超过3~5W/(m2.℃)； ✓强制对流时换热系数在10~100 W/(m2.℃)量级，实际应用 时一般不会超过30W/(m2.℃)。
部分金属材料导热系数:
2、对流
对流是由运动着的流体与流体流经的固体表面之间存在 的温差产生的换热现象。
根据流动的起因不同，可分为：
✓强制对流换热 是由于泵、风机或其他外部动力源所造成的。
✓自然对流换热 是由于流体自身温度场的不均匀性造成不均匀的密度场， 由此产生的浮升力成为运动的动力。
基本计算公式：Q=h×A×ΔT
三、LED灯具散热系统
热阻：Rja=Rjs+Rsb+Rba=(Tj-Ta)/Pd
四、散热器材质
1、金属材料(铝合金)
导热性能好——相对其它固体材料，金属具有更好的热传导能力； 易于加工——延展性好，高温相对稳定，可采用各种加工工艺； 易获取——虽然金属也属不可再生资源，但供货量大，不需特殊工序，价格也
从PN结(j)到焊点(sp)的热阻。
Rj-sp=(Tj-Tsp)/Pd
其中， Pd为LED功率，W Pd=正向电流IF(A) *正向电压VF (V)
8、LED结温的计算
✓ PN产生的热量从芯片开始沿着下述通道传递： 芯片结点→LED基底→线路板→导热界面材料→散热器壳 体→环境（空气）
✓ LED的P-N结区温度一般无法直接测量得到。通过热电偶 测量LED焊点温度来推算结温。
✓LED的基本结构是一个半导体的P-N结。 ✓一般把P-N结区的温度定义为LED的结温。 ✓LED的P-N结区温度一般无法直接测量得到。
LED结温过高将会影响LED的： ✓光衰 ✓寿命 ✓光通量 ✓正向电压
一般电子零件的温度每上升10℃，寿命就缩短约一半。温 度每上升2℃，可靠性将下降10%。
7、LED热阻Rj-sp
Tj =wenku.baidu.comTsp + Pd×R(j-sp)
二、散热基本方式
热量传递有三种方式：
➢导热 ➢对流 ➢辐射
它们可以单独出现，也可能 两种或三种形式同时出现。
1、导热
热从物体高温部分沿着物体传到低温部分或热从高温物 体传递到与之接触的低温物体，叫做热传导。
基本计算公式：Q=K×A×ΔT/L
−Q代表为热量，W； −A为接触面积，m2； −L为传热路径长度，m； −ΔT为传热路径两端温差，℃； −K为材料的导热系数，W/(m.℃)，表示材料导热能力的 大小。 一般来说，固体的导热系数大于液体，液体的大于气体。
工程中常用的减小接触热阻的主要措施： ✓ 加大接触表面之间的压力； ✓ 提高两个接触面的加工精度； ✓ 接触表面之间加导热膏等材料； ✓ 在结构强度许可的条件下，选用软的金属材料制作散热器
或器件的壳体。
5、热流密度
单位面积上的传热量，单位W/m2等。 热流密度越大，散热越难解决。
6、LED结温Tj
五、常见散热器种类
1、铝挤型散热器
常用材料：AA6063、AA6061等铝合金
相对低廉；
2、陶瓷
陶瓷材料有着绝缘性好、热导率高、红外辐射率大、膨胀系数低的特点，完 全可以成为LED照明的新材料。目前，陶瓷材料主要用于LED封装芯片的热沉 材料、电路基板材料和灯具散热器材料。
3、导热塑料
大多为以工程塑料和通用塑料为基材，如PP、ABS、PC、PA、LCP、PPS、PEEK 等。然后在塑料中填充某些金属氧化物粉末、碳、纤维或陶瓷粉末而成。其 典型的热传导率范围为1~20W/m-K，一般塑料的热传导率只有0.2W/m-K。
−Q代表热量，W； −A代表有效辐射面积，m2； −σ代表辐射常数，其值为5.67X10-8W/m2K4 −T1和T2分别指的是物体和环境的绝对温度(=摄氏温度值 +273.15)，单位K； −ε是表面的黑度或辐射率。指实际物体的辐射力和同温度 下黑体的辐射力之比，在0~1之间。
✓辐射率取决于物质种类、表面温度和表面状况，与外界 条件无关，也与颜色无关。 ✓表面粗糙、氧化、无光泽，黑度大，辐射散热能力强。 ✓对于金属外壳，可进行表面处理如阳极氧化、喷漆等来 提高黑度，强化散热。
3、热辐射
✓辐射是物体通过电磁波来传递能量的过程。 ✓物体的温度高于绝对零度时发出电磁波的过程，称 为热辐射。 ✓两个物体之间通过热辐射传递热量称为辐射换热。 ✓辐射换热可以在真空中进行。 ✓热辐射波长λ=0.1-100μm，大部分辐射能量集中在红 外波段，其中可见光λ=0.4-0.8μm。
基本计算公式：Q=Aεσ(T14-T24)
3、热阻
热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热 能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为 ℃/W或K/W。用热耗乘以热阻，即可获得该传热路径上的 温升。R=△T/P
4、接触热阻
接触界面所产生的热阻。主要因为两个名义上相接触的固 体表面，实际上接触仅发生在一些离散的面积元上，在未 接触的界面之间的间隙常充满了空气（0.026W/mK），热 量将以导热和辐射的方式穿过该间隙层。