热特性分析

散热的基本方式
依照从散热器带走热量的方式： ——主动式散热：
通过风扇等散热设备强迫性地将散热 片发出的热量带走，其 特点是散热效率高，而且设备体积小。 几种常见的主动散热方式：风冷散热、液冷散热、热管散热、 半导体制冷、化学制冷
——被动式散热：
通过散热片将热源如CPU产生的热量自然散发到空气中，其 散热的效果与散热片大小成正比，但因为是自然散发热量，效果当然 大打折扣，
热对流又有两种不同的情况，即： 1、自然对流：指的是流体运动，成因是温度差，温度高的流
体密度较低，因此质量轻，相对就会向上运动。相反地，温度 低的流体，密度高，因此向下运动，这种热传递是因为流体受 热之后，或者说存在温度差之后，产生了热传递的动力； 2、强制对流：是流体受外在的强制驱动（如风扇带动的空气 流动）,驱动力向什么地方，流体就向什么地方运动，因此这种 热对流更有效率和可指向性。
LED热学特性分析
报告提纲
• LED的温升效应 • 结温对LED的影响 • 散热相关研究
引起PN结温升的主要原因
LED发光原理 LED芯片物理性质 LED发光的光谱构成
发光原理
发光原理
对于目前功率型LED： 辐射复合：15％～20％
技术成熟的最高转换效率也仅在20%-30%左右
非辐射复合：70％～80％
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
高纯a-Al2O3 （合成蓝宝石）的比热容 … … …
摩尔质量：101.9613 g mol-1）
报告提纲
• LED的温升效应 • 结温对LED的影响 • 散热相关研究
结温对LED的影响
• • • • 器件内量子效率 荧光粉 光谱分布 寿命
量子效率
LED发光效率 即外量子效率ηex ： ηext= ηJ * ηin * ηf * ηo 其中： ηJ 注入效率 ηin 内量子效率 ηf 电子输运效率 ηo 出光效率 目前量产的LED发光单元外量子效率为25％左右， 随着技术的进步，今年来外量子效率提高非常迅速。
芯片物理性质
芯片尺寸
目前市场上技术比较成熟的功率型LED芯片尺寸都在 1mm2左右,因此其功率密度很大
芯片主要材料
蓝绿光PN结: GaN，掺杂有In，Al等 衬底：蓝宝石/碳化硅/铜合金等
发光的光谱分布
此外与传统的照明器件不同，白光LED的发光光谱中 不包括红外部分，所以器件产生的热量不能依靠辐射释放 出去。所产生的热量大部分都转化为使芯片本身温度升高 的升高的能量。
报告提纲
• LED的温升效应 • 结温对LED的影响 • 散热相关研究
散热技术研究
• 热传导原理与基本方式
——传导、对流、辐射
• 散热的基本方式
——主动散热 ——被动散热
热传递的原理与基本方式
虽然我们常将热称为热能，但热从严格意义上来说并不能算是一种 能量，而只是一种传递能量的方式。从微观来看，区域内分子受到外界 能量冲击后，由能量高的区域分子传递至能量低的区域分子，因此在物 理界普遍认为能量的传递就是热。当然热最重要的过程或者形式就是热 的传递了。
荧光粉
• 常用：Sr3SiO5:Eu2+硅酸盐黄色荧光粉
LED光输出与结温的关系
我们实验室的测量结果
影响器件可靠性
对于单个LED而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内 而不能有效散出，则会导致芯片温度升高，引起热应力的非 均匀分布、芯片的失效率也会上升。 研究表明：当温度超过一定值，器件的失效率将呈指数 规律攀升，元件温度每上升2oC，可靠性下降10％ 。
几种常见金属材料的热传导系数
对流 : 对流指的是流体(气体或液体)与固体表面接触，造成流体从固 体表面将热带走的热传递方式。 热对流的公式为“Q=H×A×ΔT”。 公式： Q依旧代表热量，也就是热对流所带走的热量； H为热对流系数值， A则代表热对流的有效接触面积； ΔT代表固体表面与区域流体之间的温度差。 因此热对流传递中，热量传递的数量同热对流系数、有效接触面 积和温度差成正比关系；热对流系数越高、有效接触面积越大、温度 差越高，所能带走的热量也就越多。
光谱分布
• 主波长红移
LED的发光注波长随温度变化关系式： λp（ T′）=λ0（T0） +△Tg×0.2nm/℃ 影响：1、光通量 2、色度学参量
• 光谱放宽
光谱宽度随之增加 影响：颜色鲜艳度。
在不同温度下荧光粉的发光强度
光谱分布对色温和色坐标影响
我们实验室测量结果
荧光粉
白光LED可以用以下三种方法得到： （1）红、绿、蓝三种LED得到白光； （2）蓝光LED+黄色（YAG）荧光粉 （3）紫光LED+RGB荧光粉得到白光。
三种热传递的基本方式 传导 对流 辐射
传导 : 物质本身或当物质与物质接触时，能量的传递就被称为热传 导，这是最普遍的一种热传递方式，由能量较低的粒子和能量较高 的粒子直接接触碰撞来传递能量。 基本公式为“Q=K×A×ΔT/ΔL”。 其中： Q代表为热量，也就是热传导所产生或传导的热量； K为材料的热传导系数，热传导系数类似比热，但是又与比热有一 些差别 A代表传热的面积(或是两物体的接触面积)、 ΔT代表两端的温度差； ΔL则是两端的距离。 因此，从公式我们就可以发现，热量传递的大小同热传导系数、热 传热面积成正比，同距离成反比。热传递系数越高、热传递面积越 大，传输的距离越短，那么热传导的能量就越高，也就越容易带走 热量
辐射 : 不需要接触，就能够发生热交换的传递方式，也就是说，热辐射其实就 是以波的形式达到热交换的目的。 特点： 1、热辐射是通过波来进行传递的，那么势必就会有波长、有频率。 2、不通过介质传递就需要的物体的热吸收率来决定传递的效率了，这 里就存在一个热辐射系数，其值介于0～1之间，是属于物体的表面特性， 热辐射的热传导公式：Q =E×S×F×Δ(Ta4－Tb4 )”。 公式中：Q代表热辐射所交换的能力， E是物体表面的热辐射系数。 S是物体的表面积， F则是辐射热交换的角度和表面的函数关系，但这里这个函数比较 难以解释。 Δ(Ta4－Tb4)则是表面a的温度同表面b之间的温度的四次方之差。 因此热辐射系数、物体表面积的大小以及温度差之间都存在正比关系。
•
热管：管壳、吸液芯和端盖三个部分组成。
热管技术—工质的选择
热管工质的热物理特性对热虹吸管的热工性能有着关键性的影 响，热管是依靠工作液体的相变来传递热量的，其选择一般应考虑以 下一些原则[1]： （1）工作液体应适应热管的工作温度区，并有适当的饱和蒸汽压； （2）工作液体与壳体、吸液芯材料应相容，且应具有良好的热稳定 性； （3）工作液体应具有良好的综合热物理性质，要求液体的输运因素 大； （4）其他，包括经济性、毒性、环境污染等。
热管技术
工作介质：
• 低温应用的氦、氮； • 常温氨、水、丙酬及甲醇 • 高温应用的钠、钾等液态金属
热管应用存在的问题
1、目前而言，价格仍然较高 2、采用热管要引入额外的热阻。热管的热端不能和器件表面直 接接触，必须加上用于导热的铜底，这增加了一个额外的接触热阻； 热管的冷端需要散热，散热鳍片与热管之间又是一个接触热阻。换言 之，要利用热管优良的导热能力，至少需要付出两个接触热阻的代价。 3、如果热管有很大的弯曲或折角，势必会影响介质的流动，降 低导热能力。因此在设计热管散热器的时候，不能有很大的弯曲和折 角。 4、热管在LED产品中的应用仅仅在于提高导热能力，而目前 LED系统的瓶颈主要在于散热器的对流换热侧。
热管技术
1963年，热管诞生于美国Los Alamos国家实验室的G.M.Grover 之手，它巧妙地利用了气液变化过程中的吸放热原理，具备了超过任 何已知金属的导热能力。 工作原理：热管有两端，分别为蒸发端（加热端）和冷凝端（散 热端），两端之间间根据需要采取绝热措施。当热管的一端受热时 （即两端出现温差时），毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在压差之下 流向另一端放出热量并凝结成液体，液体再沿多孔材料依靠毛细作用 流回蒸发端。如此循环不已，热量得以沿热管迅速传递。