LED照明光熱基礎研發部2013-07-17?Allrightsreserved課程具體章節第一章配光報告解讀第二章電子設備熱設計需求第三章電子設備熱分析方法第四章電子元器件的熱特性第五章電子設備的自然冷卻設計第六章電子設備用肋片式散熱器第七章電子設備強迫空氣冷卻設計課程具體章節第八章LED熱學指標第九章LED散熱技術個人總結第十章LED熱仿真實例第十一章熱仿真需求表格第一章配光報告解讀1.1部分燈具數據表1.2燈具配光曲線1.3空間等照度曲線1.4相對光譜和色度圖1.5顯色指數和色溫投光燈數據表反映出燈具的基本參數：光通量、光效、峰值光強等數據。光通量：被測試燈具所能發出的總能量，單位lm（流明）。光效：燈具的光通量與燈具實測功率的比。單位lm/W（流明每瓦）有效效率：根據燈具配光曲線中的平均光束角所占的百分比定義。有效光通：(有效光通量就是指的這個點光源在不同的壞境，不同的條件下點亮后通過儀器測得的數據，簡單的說就是實際照度值)根據燈具配光曲線中的平均光束角內所占的百分比定義。室內燈數據表反映出燈具的基本參數：光通量、光效、峰值光強、上/下射光通比等數據。光通量：被測試燈具所能發出的總能量，單位lm（流明）。光效：燈具的光通量與燈具實測功率的比。單位lm/W（流明每瓦）上射光通比：以燈具發光中心水平面以照射到上方的光通量與總光通量的比值。下射光通比：以燈具發光中心水平面以照射到下方的光通量與總光通量的比值。道路燈數據表反映出燈具的基本參數：光通量、光效、峰值光強、上/下射光通比等數據。光通量：被測試燈具所能發出的總能量，單位lm（流明）。光效：燈具的光通量與燈具實測功率的比。單位lm/W（流明每瓦）峰值光強位置：燈具發光的最大光強在配光曲線中的位置上射光通比：以燈具發光中心水平面以照射到上方的光通量與總光通量的比值。下射光通比：以燈具發光中心水平面以照射到下方的光通量與總光通量的比值。燈具配光曲線配光曲線：燈具在空間各方向上的發光強度都不一樣，用數據和圖形把照明燈具發光強度在空間的分布狀況記錄下來，將各處相近的光強連接起來即形成光強分布曲線，也叫配光曲線。平均光束角（50%）：以最大光強的百分之五十的夾角。空間等照度曲線以測試燈具為中心，取一切割面上的照度相等的連線。能詳細顯示該切割面的光強分布曲線。左圖考察在燈具下2m至12m，距離9m的截面(C0平面)的照度分布狀況。相對光譜圖和色度圖相對光譜：橫坐標（波長）相對應的豎線（縱坐標）的波峰值是在該波長上光的輻射強度比值。CIE1931色度圖:1931CIE（國際照明協會）的色度圖。由RGB轉換過來的色度系統.通常以其2D方式xy色度圖表現

顯色指數（CRI）和色溫顯色指數（CRI）：光源對物體的顯色能力的評價指標。一般顯色指數：R1~R8八種彩度中等的標準色樣，即淡灰紅色、暗灰黃色、中等黃綠色、淡藍綠色、淡藍色、淡紫藍色、淡紅紫色。特殊顯色指數：R9~R15紅、黃、綠、藍、歐美青年婦女的膚色、葉綠色、亞洲青年婦女的膚色。平均顯色指數（一般）：Ra 平均顯色指數（特殊）：Ri色溫的變化與顏色：藍->淺藍->白->淺黃->黃->橙->橙紅->紅之間變化（15000K~6500K~1800K）第二章電子設備熱設計要求2.1熱設計基本要求2.2熱設計應考慮的問題2.1熱設計基本要求熱設計應滿足設備可靠性的要求

大多數電子元器件過早失效的主要原因是由于過應力（即電、熱或機械應力）。電應力和熱應力之間存在緊密的內在聯系，減小電應力（降額）會使熱應力得到相應的降低，從而提高器件的可靠性。如硅PNP型晶體管，其電應力比為0.3時，高溫130℃的基本失效率為13.9×10-6h-1，而在25℃時的基本失效率為2.25×10-6h-1，高低溫失效率之比為6:1。冷卻系統的設計必須在預期的熱環境下，把電子元器件的溫度控制在規定的數值以下。應根據所要求的設備可靠性和分配給每個元器件的失效率，利用元器件應力分析預計法，確定元器件的最高允許工作溫度和功耗。對于大部分電子器件，失效率和溫度之間的關系為F=Ae－E/KT式中：F=失效率，為常數；E=電子激活能量(eV)；K=波爾茲曼常數(8.63e-5eV/K)；T=節點溫度，K。

熱設計應滿足設備預期工作的熱環境的要求電子設備預期工作的熱環境包括：環境溫度和壓力（或高度）的極限值環境溫度和壓力（或高度）的變化率太陽或周圍其它物體的輻射熱載荷可利用的熱沉狀況（包括：種類、溫度、壓力和濕度等）冷卻劑的種類、溫度、壓力和允許的壓降熱設計應滿足對冷卻系統的限制要求供冷卻系統使用的電源的限制（交流或直流及功率）對強迫冷卻設備的振動和噪聲的限制對強迫空氣冷卻設備的空氣出口溫度的限制對冷卻系統的結構限制（包括安裝條件、密封、體積和重量等）熱設計應符合與其相關的標準、規范規定的要求2.2熱設計應考慮的問題應對冷卻方法進行權衡分析，使設備的壽命周期費用降至最低，而可用性最高熱設計必須與維修性設計相結合，提高設備的可維修性設備中關鍵的部件或器件，即使在冷卻系統某些部分遭到破壞或不工作的情況下，應具有繼續工作的能力對于強迫空氣冷卻，冷卻空氣的入口應遠離其它設備熱空氣的出口，以免過熱艦船用電子設備，應避免在空氣的露點溫度以下工作；機載設備宜采用間接冷卻應考慮太陽輻射給電子設備帶來的熱問題，應有相應的防護措施應具有防止諸如燃料油微粒、灰塵、纖維微粒等沉積物和其它老化的措施，以免增大設備的有效熱阻，降低冷卻效果應盡量防止由于工作周期、功率變化、熱環境變化以及冷卻劑溫度變化引起的熱瞬變，使器件的溫度波動減小到最低程度應選擇無毒性的冷卻劑；直接液體冷卻系統的冷卻劑應與元器件及相接觸的表面相容，不產生腐蝕和其它化學反應第三章電子設備熱分析方法3.1熱分析的基本問題3.2傳熱基本準則3.3換熱計算3.4熱電模擬3.5熱設計步驟3.1熱分析的基本問題熱分析的兩個基本目的：①預計各器件的工作溫度，包括環境溫度和熱點溫度；②使熱設計最優化，以提高可靠性。表2-1為熱分析提供詳細的信息器件預計故障率(1/106h)預計的溫度℃U20.05360.9U40.05260.3U60.03561.9VR10.00965.9………………熱流量、熱阻和溫度是熱設計中的重要參數熱阻的定義：熱流量是以導熱、對流和輻射傳遞出去的，每種傳熱形式所傳遞熱量與其熱阻成反比熱分析的兩種主要方法：①基于實驗測試的準則方程法；②數值傳熱計算法。電子設備方案設計的各階段都需做熱分析，并隨著設計的進展要求的細微程度也隨之增加，如表2-2所示。參數設計方案選擇階段設計構思階段具體設計準備決斷器件功耗初步確定器件數；功耗估算最后確定器件數；功耗初步估算最后確定器件數；最后確定器件功耗熱阻需要的信息很少初步繪圖；分析或測試詳細繪圖；分析和測試散熱器溫度粗略估算更精確的計算最后計算過熱器件粗略估計確定器件，擬定解決方法所有器件都需滿足要求熱分析等級初步較細致細致表2-2各預計方案熱分析的等級第三章電子設備熱分析方法3.1熱分析的基本問題3.2傳熱基本準則3.3換熱計算3.4熱電模擬3.5熱設計步驟3.2傳熱基本準則熱量傳遞的三種基本方式：傳導、對流和輻射3.2傳熱基本準則凡有溫差的地方就有熱量的傳遞。熱量的傳遞過程可分為穩定過程和不穩定過程兩大類傳熱的基本計算公式為：式中：Φ——熱流量，W；

Κ——總傳熱系數，W/(m2·℃)；

A——傳熱面積，m2；

Δt

——熱流體與冷流體之間的溫差，℃。熱量傳遞的三種基本方式：導熱、對流和輻射一、導熱導熱的微觀機理氣體的導熱是氣體分子不規則運動時相互碰撞的結果；金屬導體中的導熱主要靠自由電子的運動完成；非導電固體中的導熱是通過晶格結構的振動來實現；液體中的導熱主要依靠彈性波。導熱基本定律——傅立葉定律式中：Φ——熱流量，W；

λ——導熱系數，W/(m·℃)；

A——垂直于熱流方向的橫截面面積，m2；

——x方向的溫度變化率，℃/m。負號表示熱量傳遞的方向與溫度梯度的方向相反。

導熱熱阻對傅立葉定律在一維直角坐標系或圓柱坐標系中積分可得單層平壁和單層圓筒壁導熱熱阻的計算式為：平壁導熱熱阻：圓筒壁導熱熱阻：式中：δ——平壁厚度，m；

L——圓筒壁長度，m

；

r2——圓筒壁外徑，m

；r1——圓筒壁內徑，m

。減小導熱熱阻的方法1.縮短路徑2.增大面積3.提高導熱系數二、對流可分為自然對流和強迫對流兩大類對流換熱采用牛頓冷卻公式計算式中：h——對流換熱系數，W/(m2·℃)；

A——對流換熱面積，m2；

tw——熱表面溫度，℃；

tf——冷卻流體溫度，℃。對流換熱熱阻對流熱阻：減小自然對流熱阻的措施1.流體所占的空間盡量大，如露天工作；2.傳熱表面盡量多地垂直于水平面；3.垂直方向的傳熱表面高度尺寸要小；4.若傳熱表面必須是水平的，則應在機殼上方；5.傳熱面積要大，表面要光。減小強迫對流熱阻的措施1.液體較氣體好；2.高流速；3.不平或帶槽的表面；4.大面積。三、輻射輻射能以電磁波的形式傳遞任意物體的輻射能力可用下式計算式中：ε——物體的表面黑度（表面輻射率）；

σ0

——斯蒂芬—玻爾茲曼常數，5.67×10-8W/(m2·K4)；

A——輻射表面積，m2；

T——物體表面的熱力學溫度，K。

減小輻射熱阻的措施1.表面輻射率要高；2.輻射體與吸收體之間要無障礙；3.輻射面積要大。3.3換熱計算一、自然對流換熱的準則方程式中：Nu——努謝爾特數，Nu=hD/λ；

Ra——瑞利數，Ra=Gr·Pr；

Gr——格拉曉夫數，Gr=βgρ2D3Δt/μ2；

Pr——普朗特數；

C、n——由表2-3查得，定性溫度取壁面溫度與流體溫度的算術平均值；

h——自然對流換熱系數，W/(m2·℃)；

D——特征尺寸，m；

λ——流體的導熱系數，W/(m·℃)；

β——流體的體積膨脹系數，℃-1；

g——重力加速度，m/s2；

ρ——流體的密度，kg/m3；

μ——流體的動力粘度，Pa·s；

Δt——換熱表面與流體的溫差，℃。

表3-3自然對流準則方程中的C和n值加熱表面形狀與位置圖示系數C及指數n特征尺寸Ra范圍流態Cn豎平板與豎圓柱層流紊流0.590.121/41/3高度H104～109109～1012橫圓柱層流紊流0.530.131/41/3外徑d104～109109～1012水平板熱面朝上層流紊流0.540.141/41/3正方形取邊長；長方形取兩邊平均值；狹長條取短邊；圓盤取0.9d（d為圓盤直徑）105～2×1072×107～3×1010水平板熱面朝下層流0.271/43×105～3×1010表3-4自然對流換熱表面傳熱系數計算公式表面形狀及位置自然對流換熱表面傳熱系數層流GrPr=104～109紊流GrPr=109～1013特征尺寸①豎直平壁或圓柱高度H②水平圓柱外徑d③水平壁熱面向上正方形為邊長；長方形為兩邊長的平均值；不對稱平面為l＝A/U（A為面積，U為表面周長）；圓盤為0.9d④水平壁熱面向下—⑤圓球—直徑d⑥小部件及導線—根據元件形狀不同，參照表面①～⑤選取。如導線按水平圓柱，則取其外徑為特征尺寸⑦電路板上的元件—⑧自由空氣中的小元件—⑨積木式微型組件中的元件—備注Δt＝tw－tf，其中tw為壁面溫度，tf為流體溫度二、自然對流換熱的簡化計算對在海平面采用空氣自然冷卻的多數電子元器件或小型設備(任意方向的尺寸小于600mm)，可以采用以下簡化公式進行計算式中：φ——熱流密度，W/m2；

A——換熱面積，m2；

C——系數，由表2-3查得；

D——特征尺寸，m；

Δt——換熱表面與流體（空氣）的溫差，℃。三、強迫對流換熱的準則方程管內流動及沿平板流動的準則方程換熱表面形狀Re范圍流態特征尺寸特征尺寸管內流動＜2200＞104層流紊流式中：D——特征尺寸，m；

l——管長，m；

μl

——平均溫度下流體的動力粘度，Pa；

μw

——壁溫下流體的動力粘度，Pa；內徑或當量直徑沿平板流動（或平行柱體流動）＜105＞105層流紊流沿流動方向平板長度表中的雷諾數Re定義為:式中：ρ——流體的密度，kg/m3；

u——流體流速，m/s；

μ——流體的動力粘度，Pa·s；

D——特征尺寸，m。彎管修正系數εR為氣體：液體：其中R為彎管曲率半徑。

當管道為短管（即管長l與管徑d之比小于50）或彎管時，前表中的紊流準則方程右端應乘以相應的修正系數四、輻射換熱計算方程兩物體表面之間的輻射換熱計算公式為：式中：T1、T2——物體1和物體2表面的絕對溫度，K；

ε1、ε2——物體1和物體2的表面黑度；

εxt——系統黑度；

A——物體輻射換熱表面積，m2；

F12——兩物體表面的角系數。

10-8表3-4不同形狀物體的角系數形狀角系數無窮大平行平面完全被其它物體包圍兩垂直相交的正方形兩平行且相等的相距為邊長的正方形兩平行且相等的相距為直徑的圓1.01.00.20.190.18表面黑度銀鋁（拋光）鋁箔（鈍化）金（電鍍）金（真空沉積）鋁箔（發亮的）鋁（磨光）不銹鋼（磨光）鎳鈦鋁（噴砂）白硅酮涂料（平）黑硅酮涂料（平）黑乙烯酚（鈍化）煤煙氧化鎂灰硅酮涂料0.020.030.030.030.030.040.050.050.180.200.40.750.810.840.950.950.96表3-5典型表面的黑度3.4熱電模擬一、熱電模擬方法將熱流量（功耗）模擬為電流；溫差模擬為電壓（或稱電位差）；熱阻模擬為電阻，熱導模擬為電導；對于瞬態傳熱問題，可以把熱容（cpqm）模擬為電容。這種模擬方法適用于各種傳熱形式，尤其是導熱。二、熱電模擬網絡利用熱電模擬的概念，可以解決穩態和瞬態的傳熱計算。恒溫熱源等效于理想的恒壓源。恒定的熱流源等效為理想的電流源。導熱、對流和輻射換熱的區域均可用熱阻來處理。熱沉等效于“接地”，所有的熱源和熱回路均與其相連接，形成熱電模擬網絡。從實際傳熱觀點而言，熱設計時應利用中間散熱器，它們一般屬于設備的一部分，通常為設備的底座、外殼或機柜、冷板、肋片式散熱器或設備中的空氣、液體等冷卻劑。三、傳熱路徑熱流量經傳熱路徑至最終的部位，通稱為“熱沉”，它的溫度不隨傳遞到它的熱量大小而變，即相當于一個無限大容器。熱沉可能是大氣、大地、大體積的水或宇宙，取決于被冷卻設備所處的環境。四、熱阻的確定確定熱阻的步驟a.根據對每個元器件的可靠性要求，確定元器件的最高允許溫度b.確定設備或冷卻劑的最高環境溫度c.根據上述兩條規定，確定每個元器件的允許溫升d.確定每個元器件冷卻時所需的熱阻熱阻的計算a.導熱熱阻和對流熱阻的計算式參見2.2節b.輻射換熱網絡法任意兩表面間的輻射網絡如下圖所示：圖中Eb1和Eb2分別代表同溫度下的表面1和表面2的黑體輻射力；J1和J2分別為表面1和表面2的有效輻射。3.5熱設計步驟1.熟悉和掌握與熱設計有關的標準、規范，確定設備（或元器件）的散熱面積、散熱器或冷卻劑的最高和最低環境溫度范圍。2.確定可利用的冷卻技術和限制條件。3.對每個元器件進行應力分析，并根據設備可靠性及分配給每個器件的失效率，確定每個器件的最高允許溫度。確定每個發熱元器件的功耗。4.畫出熱電模擬網絡圖。5.由元器件的內熱阻確定其最高表面溫度。6.確定器件表面至散熱器或冷卻劑所需的回路總熱阻。7.根據熱流密度和有關因素，對熱阻進行分析和初步分配。8.對初步分配的各類熱阻進行評估，以確定這種分配是否合理。并確定可以采用的或允許采用的冷卻技術是否能夠達到這些要求。9.選擇適用于回路中每種熱阻的冷卻技術或傳熱方法。10.估算所選冷卻方案的成本，研究其它冷卻方案，進行對比，以便找到最佳方案。11.熱設計的同時，還應考慮可靠性、安全性、維修性及電磁兼容設計。第四章電子元器件的熱特性4.1半導體器件的熱特性4.2磁芯元件的熱特性4.3電阻器的熱特性4.4電容器的熱特性4.5LED器件的熱特性4.1半導體器件的熱特性半導體器件生產廠商應提供的熱特性參數包括：器件工作參數與溫度的關系曲線，最高和最低的儲存溫度，最高工作結溫及有關的熱阻值。進行電路設計時，應參照器件可靠性標準中規定的失效率與溫度的關系曲線，降低工作結溫，以便獲得理想的可靠性。由于設備和系統的可靠性是元器件失效率的函數，因此只有經過細致的可靠性設計，才能控制結溫不超過允許值。需要用內熱阻將結與外部環境相聯系。器件的結—殼熱阻Rjc可按下式計算：式中：Rjc——結—外殼熱阻，℃/W；

tjmax

——最大結溫，℃；

tB——器件的外殼基座溫度，℃；

Pmax——最大功耗，W。一、小功率晶體管a.結—外殼熱阻Rjc

該值在使用時應注意兩點：⑴在多頭引線器件中，導線熱阻比通過外殼的熱阻大幾倍，故可忽略不計。⑵殼外側溫度變化范圍可能很大，應知道外殼上用來確定Rjc的參考點——管殼的基座溫度。b.結—空氣熱阻Rja

當元器件之間空氣間隙很大、相互影響很小、且以對流換熱為主要途徑時，可采用此值。用此參數確定結溫時，應仔細估計空氣溫度。c.元器件的最大功耗Pmax最大功耗是指保持給定的最大結溫，在規定的正常環境條件（一般指空氣溫度或殼溫為25℃）下，元器件可以耗散的最大功耗。由此可以轉換成Rjc或Rja

小功率晶體管的引線導熱是一種高熱阻通路。其內部鍵合引線的熱阻更大。這種熱流通路在熱回路中通常可以忽略不計。外殼至襯墊之間的導熱是最好的傳熱方法。散熱效果取決于安裝狀況。二、功率晶體管功率晶體管在設計時通常在其結和外殼結構之間設置了低熱阻的通路。為了使通過管座的熱量得到擴散，同時加大熱容量和為耐熱瞬變提供保護，將管座設計得較厚，從而使得管座的溫度變化較小。

功率晶體管的傳熱主要是通過管座的導熱，因此安裝表面必須平整光滑，以減小界面熱阻。三、集成電路集成電路的結—殼熱阻與芯片尺寸及材料、焊接材料、基板或外殼材料及封裝的幾何結構形狀等因素有關。在混合電路器件中環氧樹脂焊接芯片的熱阻可達120℃/W，雙列直插式（DIP）塑封器件的芯片熱阻大約為135℃/W。大多數混合電路單元芯片與封裝外殼表面的熱阻值為25～40℃/W。集成器件的外部熱通路必須注意封裝表面的導熱散熱。與晶體管相似，為保證接觸良好，最好采用彈性安裝墊、彈簧夾，同時在安裝界面處采用導熱膏（脂）或導熱橡膠。四、中規模和大規模集成電路（MSI和LSI）

MSI和LSI中的每個結的功耗一般都很小，但是器件的總功耗可能很大。為了保證集成電路可靠工作，通常規定了允許的襯底溫度或最大功耗。散熱是一種或多種外部低熱阻傳熱路徑的設計問題。襯底與安裝表面之間應有緊密的熱接觸。安裝結構在垂直于安裝表面方向應具有比較高的導熱系數，以保證襯底溫度的均勻性。五、微波器件微波器件對溫度非常敏感。為了降低器件的內熱阻，某些器件要采用金剛石做框架。因此在電子器件所遇到的溫度范圍內，金剛石的熱阻比銀低。氧化鈹陶瓷具有高導熱系數和良好的絕緣性能，廣泛用于微波器件的封裝中。由于陶瓷易碎，因此采用采用這種材料的器件在進行熱設計時，必須對器件進行熱膨脹的分析，以免產生機械應力。六、半導體器件的熱功耗計算a.CMOS器件

CMOS器件的功耗是頻率的一階函數、器件幾何尺寸的二階函數。開關功耗占器件總功耗的70％～90％。CMOS器件的開關功耗計算公式為：式中：C

——輸入電容，F；V——峰—峰電壓，V；f——開關頻率，Hz。門接通功耗占CMOS器件總功耗的10％～30％，其計算公式為：式中：Ntot

——總門數；

Non

——開門百分比，％；

q——功耗系數，W/Hz每門；

f——開關頻率，Hz。b.開關管開關管的損耗主要包括開關損耗和通態損耗兩部分。通態損耗：式中：ID——漏極電流，A；RDS(ON)

——通態電阻，Ω。可由下式計算：R0——25℃時額定值，可由器件手冊中查到；α——溫度系數為0.01；Tj——工作結溫，℃。開通過程損耗：關斷過程損耗：式中：tr——管壓降下降時間，從VDS初始值的90％降到10％的時間間隔，ms；tf——管壓降上升時間，從VDS關斷值的10％上升到90％的時間間隔，ms；fs

——開關頻率，KHz。開關管的總損耗：c.輸出整流二極管通態損耗：式中：VF

——正向導通壓降，V；IF——正向導通電流，A；D——占空比。開通損耗：式中：VFRM

——正向恢復電壓，V；tfr——正向恢復時間；f——開關頻率。關斷損耗：式中：VR——反向穩態電壓；trr——反向恢復時間；IRM——反向恢復電流；f——開關頻率。輸出整流管的總損耗：4.2磁芯元件的熱特性磁芯元件熱性能失效的主要形式是絕緣材料和導體的失效。對A類絕緣材料而言，在實際工作溫度范圍內，溫度每增加10～12℃，絕緣材料的壽命將減小一半；對油浸式絕緣材料，溫度每增加7～10℃，壽命也減半。電感器的熱量由磁芯和導體產生的。導熱是鐵芯電感器的主要傳熱方式。由于需要逐匝和逐層進行電絕緣，故內部熱點和表面之間的熱阻較大，使繞組具有較高的溫度。絕緣材料在極限溫度下工作的壽命受下列因素的影響：a.材料的成分和質量b.材料制作工藝c.材料所受的機械應力絕緣材料的極限溫度Y類絕緣材料（包括木材、棉花、紙、纖維等天然紡織品，以醋酸纖維和聚酰胺為基礎的紡織品，以及熔化點較低的塑料等）的極限溫度為90℃A類絕緣材料（包括用油或油樹脂復合膠浸過的Y類材料，漆包線、漆布、漆絲及油性漆、瀝青漆等）的極限溫度為105℃E類絕緣材料（包括聚酯薄膜和A類材料復合、玻璃布、油性樹脂漆、聚乙烯醇縮醛高強度漆包線、乙酸乙烯耐熱漆包線）的極限溫度為120℃B類絕緣材料（包括聚酯薄膜、經和成樹脂粘合或浸漬涂敷的云母、石棉、玻璃纖維等，聚酯漆、聚酯漆包線）的極限溫度為130℃H類絕緣材料（包括復合云母、有機硅云母制品、硅有機漆、硅有機橡膠、聚酰亞胺復合玻璃布、復合薄膜、聚酰亞胺漆等）的極限溫度為180℃C類絕緣材料（包括不采用任何有機粘合劑或浸漬劑的無機物，如云母、石棉、玻璃、石英和電瓷材料等）的極限溫度為180℃以上高頻變壓器的損耗變壓器的損耗包括銅耗和鐵耗兩部分。①銅耗計算原邊副邊式中：IP

——原邊電流有效值，A；

IS——副邊電流有效值，A；NP——原邊匝數；

NS——副邊匝數；ρ——銅的電阻率1.72×10－5

，Ω·mm；l——每匝的長度，mm；A——每匝銅線的截面積，mm2。②鐵耗計算可從產品手冊中查到單位體積鐵耗Pv，根據下式求出鐵耗：式中：Pv

——單位體積鐵耗，W/cm3；

Ve——鐵芯體積，cm3。變壓器的總損耗：4.3電阻器的熱特性電阻器通常按自然冷卻方式設計，導線的長度及連接點的溫度對電阻器的工作溫度影響很大。

GJB299規定了所有通用電阻器的熱性能額定值，并提供了應力分析數據。溫度對電阻器的影響，主要表現為電阻值和失效率隨溫度的變化而變化。4.4電容器的熱特性

電容器一般不作熱源處理，但漏電很高的電解電容器以及在發射機射頻電路中損耗系數很高的電容器應作為一個熱源考慮。電容器的泄漏電阻隨溫度的升高而降低。玻璃介質電容器的最高工作溫度為200℃塑料外殼云母介質電容器的最高工作溫度為120℃釉瓷電容器的最高工作溫度為120℃鈦酸鋇介質電容器的溫度上限約為85℃普通高質量電解電容器的最高環境溫度為85℃。鉭電解電容器的最高環境溫度按不同型號分別規定為125℃、150℃、175℃和200℃可變電容器（除鈦酸鋇外）所用的介質材料都能在200℃工作正弦激勵下的電容功耗計算公式為：式中：C——電容值，F；VM

——正弦峰值電壓，V；ω

——角頻率，2πf；f——頻率，Hz。4.5LED器件的熱特性

LED光源屬于半導體發光的一種，由過剩電子與空穴的輻射復合發光。目前市場上成熟的產品可以將輸入LED的電能中30%轉化為光，其余能量轉化為熱。第五章電子設備的自然冷卻設計5.1熱安裝技術5.2印制板的自然冷卻設計5.1熱安裝技術一、電阻器

大型線繞電阻器的安裝不僅要采取適當的冷卻措施，而且還應考慮減少對附近元器件的輻射熱。

若有多個大功率電阻器，最好將它們垂直安裝。長度超過100mm的單個電阻器應該水平安裝，其平均溫度要稍高于垂直安裝。但水平安裝時，其熱點溫度要比垂直安裝時低，且溫度分布比較均勻。

如果元件與功率電阻器之間的距離小于50mm，需要在大功率電阻器與熱敏元器件之間加熱屏蔽板（拋光的金屬屏蔽板）。

若電阻器緊密安裝，而間距小于或等于6mm時，就會出現相互加熱的現象。此時電阻器的安裝方式（水平或垂直安裝）影響不明顯。二、半導體器件

小功率晶體管、二極管及集成電路的安裝位置應盡量減少從大熱源及金屬導熱通路的發熱部分吸收熱量，可以考慮采用隔熱屏蔽板(罩)。

對功耗等于或大于1W，且帶有散熱器的元器件，應采用自然對流冷卻效果最佳的安裝方法和取向。三、變壓器和電感器

鐵芯電感器的發熱量大致與電流的平方成正比，一般熱功耗較低，但有時也較高（如電源濾波器中）。電源變壓器是重要的熱源，應使其安裝位置最大限度地減少與其它元器件間的相互熱作用，最好將它安裝在外殼的單獨一角或安裝在一個單獨的外殼中。四、傳導冷卻的元器件

當多個器件耗散的熱量傳到一個共同的金屬導體時，就會出現很明顯的熱的相互作用。當共同的安裝架或導體與散熱器之間的熱阻很小時，熱的相互作用就很小。否則應把元器件分別裝在獨立的導熱構件上。五、不發熱元器件

不發熱的元器件可能對溫度敏感，其安裝位置應該使得從其它熱源傳來的熱量降到最低的程度。但這些元器件處于或靠近高溫區域時，熱隔離只能延長熱平衡時間，元器件仍然會受熱。最好的熱安裝方法是將不發熱元件置于溫度最低的區域，該區域一般是靠近與散熱器之間熱阻最低的地方。如下圖所示：器件的不同排列方式對溫度分布的影響自然冷卻設備，將熱敏感器件放在最低處氣流熱敏感器件5.2印制板的自然冷卻設計一、印制板印制導體尺寸的確定

根據流入印制板電流的大小以及允許溫升范圍，可用右圖確定印制導體的尺寸。該圖是多層板內導體的導體寬度（或面積）、溫升與電流之間的關系曲線。對于外層導體，相同的導體寬度，其工作電流可大2倍左右。二、印制板的種類及傳熱特性FR4的導熱系數為0.25W/mK銅的導熱系數為388W/mKPCB板處理成具有各向異性熱傳導率的均勻材料PCB模型中沿板面的熱傳導率遠大于垂直于板面的熱傳導率沿板面的熱傳導率隨著PCB板銅層的數目的增加而變大垂直板面的熱傳導率變化不大，一般為0.3W/mK三、PCB散熱能力的增強1.提高基板材料的導熱能力陶瓷材料的導熱能力比金屬低，但比樹脂材料高兩位數。BeO為熱傳導性優異的陶瓷材料，堪與鋁制材質比美，且有優異的電絕緣特性，但因其有毒性，使用時需特別注意。最近以新開發的無毒性SiC及AIN材料來替代BeO。2.采用金屬化過孔提高PCB的法向傳熱能力金屬化通孔可增加PCB在垂直方向的熱傳導性，如上圖所示。通孔外層是銅，由于鍍銅有限制，因此當孔徑較大時無法將銅鍍滿，因此中間一般是膠。為了增加熱傳導性，可填充傳導性高的銀膠等。當通孔數量越多，孔徑越大，且越集中在發熱器件下方，散熱效果會越好。3.器件在PCB上的合理布局板的放置方向

在自然對流時PCB水平放置的效果較垂直放置的效果要差，這是因為垂直放置時，氣流可有效流過器件表面，而水平放置時，氣流只從器件表面向上流動。在強制對流時由于風量大，因此放置方向的效果較不明顯。在PCB上配置發熱特性不同的器件

當PCB上安裝耐熱性不同的器件時，將耐熱性差或不發熱的器件（IC、晶體管、電容器等）放置于下風側；將耐熱性好或發熱器件（如電阻、變壓器）放置于上風處。這是因為若將怕熱器件安裝于發熱器件的發熱路徑之上，會使得溫度變得更高。在實際情況不允許的時候，可考慮在器件之間加裝隔熱板。

器件配置配合系統設計

應將發熱量高的器件安裝于系統中方便通風的地方，例如通風口旁或接近風扇的地方，尤其是空間小的電子裝置如筆記本電腦等。如此可縮短散熱路徑，也不會加熱到其它的裝置或器件。器件的放置需配合散熱方式在自然對流時，由于通風來自溫差引起的浮力，因此要注意避免妨礙通風的凸起物，因此圖(b)的溫度較低。在強迫風冷時，由于可以得到強大的通風力，因此設計重點則是提高器件表面和周圍流動氣體之間的對流換熱系數，圖(a)的擺設方式雖然造成阻礙，但是如果風量足夠，擾流所引起的對流換熱系數增加所造成的冷卻效果較大。第六章電子設備用肋片式散熱器6.1概述6.2肋片散熱器設計6.3肋片散熱器在工程應用中的若干問題6.1概述工程中常用的肋片

⑴

等截面肋：矩形肋，圓形肋等（圖2-1a、b）⑵變截面肋：梯形肋，三角形肋等（圖2-1c、d）6.2肋片散熱器設計一、散熱器設計的步驟根據相關約束條件設計出輪廓圖。根據散熱器的相關設計準則對散熱器肋厚、肋的形狀、肋間距、基板厚度進行優化。進行校核計算。6.2肋片散熱器設計二、散熱片設計的一般原則1.散熱器基板厚度基板厚度對肋片的散熱效率有很大影響。良好的基板厚度設計必須由熱源部分厚而向邊緣部分變薄，如此可使散熱器由熱源部分吸收足夠的熱向周圍較薄的部分迅速傳遞。熱源

中心部分厚向邊緣部分減薄散熱功率和基板厚度之間的關系如下2.肋片形狀肋片間距：對于自然對流，肋片間距要在4mm以上肋片角度：約為3°肋片最佳間距的經驗估算考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果肋間距太小，兩個肋的熱邊界層易交叉，影響肋表面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于6mm，如果散熱器肋高低于10mm，可按肋間距≥1.2倍肋高來確定散熱器的肋間距。三、肋片參數的優化在工程設計中，肋片高度：過份增加高度，不僅散熱量不增加，相反地還將增加肋片重量。表6-1給出了幾種肋片（圖2-8）的設計參數值。幾點結論：在材料、環境條件和Φb/θ0相同時，三角形截面所用材料質量只是矩形截面的69％，因此只要工藝條件許可，應盡量采用三角形截面肋。截面面積和肋的體積，隨熱流量的三次方增加。因此如果希望散熱量加倍，可選用兩個與原肋片相同的肋片，或采用一個截面面積為原肋片8倍的新肋片。因此，應采用多個小肋片方案，而不應采用少數大的肋片。截面面積與肋材料的導熱系數λ成反比，肋的總質量與截面面積及所用材料的密度ρ成正比。6.3肋片散熱器在工程應用中的若干問題一、散熱器生產、使用的技術要求⑴一般均選用鋁材（或鋁型材）作為散熱器的材料；⑵為提高散熱器的輻射散熱能力，其表面應進行提高表面黑度的處理，表面顏色可按需要任選；⑶散熱器與功率器件的安裝表面應光潔、平整。可加導熱膏、導熱脂或導熱橡膠片等；⑷散熱器與安裝面之間不應出現跳火、擊穿等跡象，其電絕緣性、耐熱性和耐濕性應按有關標準進行檢測；⑸散熱器應按有關標準進行測試，其熱阻值不應超過許用偏差范圍。二、減小散熱器與器件之間的接觸熱阻影響接觸熱阻的因素較多，迄今沒有一個普遍適用的經驗公式加以歸納，因此工程設計中都是根據實驗或參考實測數據來選擇接觸熱阻。表6-3為某些典型接觸面的接觸熱阻值。表面狀況接觸熱阻×104/(m2·K/W)金屬與金屬干接觸高3.55中（平均）2.58低0.90涂硅脂高2.32中（平均）1.29低0.48導熱襯墊高1.10中（平均）0.65低0.32墊銦片(厚0.005mm)干接觸高0.58中（平均）0.45低0.32墊云母片(厚0.02～0.03mm)干接觸高11.29中（平均）7.74低3.87硅脂高6.45中（平均）3.87低1.94墊氧化鈹(厚0.02～0.062mm)干接觸2.0墊銦鉑0.90灌環氧樹脂0.71半導體功率器件安裝于散熱器上的接觸熱阻值可參考表6-3查取。接觸面性質導熱系數λ/[W/(m·K)]間隙厚度/mm單位接觸熱阻/(m2·K/W)軟釬焊62.990.1274.65環氧樹脂0.1970.1271550粘膠0.1970.0254310灌注環氧樹脂0.9840.127310表6-3半導體功率器件安裝于散熱器上的接觸熱阻值工程中常用的減小接觸熱阻的主要措施：⑴加大接觸表面之間的壓力；⑵提高兩個接觸面的加工精度；⑶接觸表面之間加導熱襯墊或導熱脂、導熱膏等；⑷在結構強度許可的條件下，選用軟的金屬材料制作散熱器或器件的殼體。⑶自然對流散熱器減小熱阻的方法自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱，在散熱肋表面增加波紋不會對自然對流效果產生太大的影響，所以建議散熱肋表面不加波紋齒。自然對流的散熱器表面一般采用發黑處理，以增大散熱表面的黑度，強化輻射換熱。由于自然對流達到熱平衡的時間較長，所以自然對流散熱器的基板及肋厚應足夠，以抗擊瞬時熱負荷的沖擊，建議大于5mm以上。⑷強迫風冷散熱器減小熱阻的方法適當增加空氣流速在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應小于0.5mm。散熱器應垂直安裝。第七章電子設備強迫空氣冷卻設計7.1強迫空氣冷卻的熱計算7.1強迫空氣冷卻的熱計算強迫空氣冷卻換熱計算的難點在于固體壁面和空氣之間對流換熱系數的確定（相應的準則方程參見第二章內容）。對流換熱系數的大小與流體流動的狀態（層流或紊流）、流體的物性參數、換熱面的幾何形狀和位置等有關。判斷流體流動狀態的準則是雷諾數Re。對于管內流動，當Re≤2200時，流動屬層流；當Re＞104時，流動屬紊流；中間值時流動屬層流向紊流過渡的過渡狀態。一、環境的影響環境通過對空氣物理特性的影響來改變強迫對流換熱過程。空氣的導熱系數、粘度、比熱及密度等均隨環境條件而變化。空氣的導熱系數一般不受壓力的影響，只有當壓力低于1360Pa時，導熱系數隨壓力降低而降低。導熱系數也隨溫度的降低而降低。空氣的動力粘度μ隨溫度的升高而增大，而不受壓力的影響。干燥空氣的密度可由下式計算：式中：ρ——空氣密度，kg/m3；

t——溫度，℃；

P1——使用大氣壓力，Pa。二、空氣吸收的熱流量和質量流量空氣吸收的熱量可用下式計算：式中：Φ——空氣吸收的熱流量，W；

qm——空氣的質量流量，kg/s；

cp——定壓比熱，J/(kg·℃)；

Δt——空氣的溫升，℃。一般為10～15℃。空氣的質量流量由下式計算：式中：qV——空氣的體積流量，m3/s；

ρ——空氣密度，kg/m3。工程中按照1.5～2倍的裕量選擇風扇的最大風量。三、強迫對流換熱準則方程氣體平行流過平板表面式中：L——表面長度。L限制在0.6m，超過的也取0.6m。空氣掠過球體空氣掠過圓柱體或導線式中：b和m——雷諾數的函數，具體取法見表7-1。形狀雷諾數Rebm0.4～4.04.0～4040～40004000～4000040000～4000000.8910.8210.6150.1740.02390.3300.3850.4660.6180.8055000～100000.09210.6755000～1000000.2220.585表7-1上式中的b和m的取值對于表中的正方形和菱形截面，特征尺寸D就是周邊尺寸相同的圓形截面的直徑D。第八章LED的熱學指標8.1結溫對LED性能的影響8.2LED燈具熱量傳遞的過程8.3LED結溫的測量8.1結溫對LED性能的影響溫度對半導體的工作特性具有重要影響，半導體的電學參數和使用壽命都會因為溫度的升高而發生變化。LED是發光半導體器件的一種，除了電學參數、使用壽命會受到溫度的影響之外，其光輸出也會受到溫度的影響。特別是對于用于生活照明的大功率白光LED，溫度除了影響其壽命外，還對其光效、色溫、顏色等輸出參數具有較大影響。結溫對LED發光光效的影響當LED結溫上升時，外延層之間的晶格失配，形成位錯結構缺陷、快速繁衍、降低注入效率和發光效率。隨著溫度上升，光通量也將下降，當升至最大極限結溫（如125℃）時，光通量就會急劇下降，直至損壞。過高的結溫對LED發光效率的影響可從內量子效率降低和發光波長紅移兩方面分析。結溫升高，導致LED光輸出降低從圖中可以看出光通量隨著溫度的升高而降低。通常我們說的光通量僅是在25℃的特例，因此，我們在描述光通量時必須在有環境溫度下的情況下描述，否則沒有實際意義。結溫升高，導致發光波長紅移溫度的升高不僅會改變器件的內量子效率，造成光輸出減少，還會改變器件的禁帶寬度，使得LED的輻射光的主波長發生紅移，其中LED的發光主波長與溫度變化的關系如下式所示：其中，、分別是溫度T與T0時發射光主波長，ΔT為溫差。從該公式可以得到，芯片的結溫每上升10℃，芯片發光的主波長將向長波方向移動2nm左右，這就改變了芯片發光的相對光譜組成，以至于熒光粉因為器件發出的光而失配，造成整體光輸出的下降。結溫對LED器件的壽命影響LED是發光器件，因此其壽命的定義與傳統的半導體器件還有區別，傳統的半導體器件的壽命器件技術指其器件的失效期限，而對于LED我們是將其作為一個光源來用，因此，當其光輸出衰減到一定量(通常是初始值的70％)，即便LED還能發光，我們也認為其失效。因此LED的壽命包含兩個層面的含義：器件的失效和光輸出的減少。溫度對LED失效的影響可從三方面考慮：對芯片：LED芯片中高電流密度會導致熱化和強電場現象，同時持續的高溫和強電場可能會增強原子的擴散和造成電極的意外熔合，并增加斷層密度和點缺陷。高結溫產生的熱應力也可能導致半導體芯片中的原子擴散或斷層運動的增強。化學反應和原子擴散會導致LED器件逐漸老化口。對電極的引線：電極引線一般具有較強的承受電流沖擊和震動能力，但是由于環氧樹脂，電極引線與芯片材料的熱膨脹系數有差異，在高溫下產生的不同形變會引起引線斷裂，造成災難性失效，因此采用熱系數相近的材料是有效提高LED使用壽命的方法。在封裝過程中，材料的不均勻或者焊接質量不好都會造成電極通電不均，導致局部過熱和接觸斷裂，加速器件失效。溫度對LED失效的影響可從三方面考慮：對環氧樹脂：一方面，溫度升高以及藍光和紫外線的照射會使壞氧樹脂的透明度嚴重下降，另一方面典型的LED由光學透明的環氧樹脂封裝溫度升高到環氧樹脂玻璃轉換溫度Tg時，環氧樹脂由剛性的、類似玻璃的固體材料轉換成有彈性的材料：如圖8-1。通常情況，在玻璃轉換溫度Tg，環氧樹脂的熱膨脹系數(CTE)會有很大變化，一個大的熱膨脹系數(CTE)使得封裝樹脂在溫度變化的過程中，膨脹和收縮加劇，這將導致金線(或鋁線)鍵合點位移增大，金線(或鋁線)過早疲勞和損壞，造成LED開路和突然失效。8-1環氧樹脂CTE隨溫度變化曲線8.2LED燈具熱量傳遞的過程對于一個LED燈具，熱量首先由LED芯片產生，然后通過熱傳導﹑對流﹑輻射三種方式進行傳遞。對于大功率LED燈具大體上都沿著以下路徑傳導：LED芯片﹑固晶層﹑基板（MCPCB）﹑導熱膠﹑散熱器﹑空氣。結合燈具的實際結構來看，熱傳導、對流是最主要的傳熱方式，因此在考慮如何提高LED燈具的散熱性能的時候，主要是通過改變LED燈具系統的各個環節的熱傳導能力來達到有效散熱的目的。LED的熱阻通過上節的分析可知：LED的結溫對LED的性能影響至關重要，因此，我們必須了解LED的熱阻的概念。只要知道了LED焊盤到PN結的熱阻，就可以根據功率和焊盤處的溫度計算出PN的結溫。在LED點亮后達到熱量傳導穩態時，芯片表面每耗散1W的功率，芯片pn結點的溫度與連接的支架或鋁基板的溫度之間的溫差就稱為熱阻Rth，單位為℃/W。數值越低，表示芯片中的熱量傳導到支架或鋁基板上就越快。這有利于降低芯片中的pn結的溫度，從而延長LED的壽命。LED熱阻的計算上圖是一個典型的LED器件結構示意圖。由圖知，暫不計LED芯片有源層到襯底間的熱阻，則芯片內部主要是襯底的熱阻，我們用RθS來表示；第二，襯底與引線支架間由于存在粘結層，因此襯底到支架有一個粘結材料引入的熱阻，用Rθx來表示；第三，安放芯片的支架到自由空間的熱阻Rθf，這三個熱阻構成LED芯片PN結到空氣之間的總熱阻Rθ，于是Rθ=RθS+Rθx+RθfLED熱阻的計算襯底到支架的熱阻。假定芯片襯底是一個200μm的正方形，銀膠的厚度為100μm,已知銀膠的導熱系數為20W/m*k,可求得芯片襯底到支架的熱阻為：Rθx=h/ρ銀膠*s=0.1mm/20W/m*k*0.2mm*0.2mm≈125℃/WLED襯底的熱阻。

若LED襯底是GaAs，則ρGaAs≈18W/m*k,當厚度為0.2mm時，襯底的熱阻：RθS=0.2mm/18W/m*k*0.2*0.2*10-8M2≈138℃/W支架的熱阻。鐵支架到空氣的熱阻可求得為4.2℃/W，這個LED的總熱阻Rθ=RθS+Rθx+Rθf=267℃/W。這個LED當使用環境溫度為65℃時，它最多能承受的電功率小于0.2W。LED熱阻的計算上面討論中，還未計入芯片有源層本身的熱阻，只是這一層比較薄，盡管也是GaAs材料，由于厚度公幾十微米，其熱阻較襯底4～5倍，約在30℃/W左右。可以看出，普通封裝的LED其總熱阻在300℃/W左右，只適用于小功率使用。LED熱阻的減小方式根據上述的熱阻模型，LED的熱阻的主要貢獻在于襯底和襯底到支架間的粘合材料引起的熱阻，對于功率LED要降低熱阻除加大襯底面積（即芯片面積）外，用高導熱系數材料作襯底，及用高導熱系數的合金材料作粘結料是降低LED熱阻的主要途徑。LED熱阻的減小方式例如，用導熱系數為75W/M*K的硅材料作襯底，在芯片面積為1mm2,硅襯底厚度為0.8mm時，襯底的熱阻RθS為：RθS=h/ρsi*s=0.3*10-3/75*1*10-6≈4℃/W這就比常規0.2mm*0.2mm面積的GaAs襯底熱阻低得多。若再用純錫（Sn）作襯底與支架的焊料時，粘結層熱阻Rθx就為：Rθx=h/ρsi*s=0.2*10-3/76W/m*k*1*10-6≈2.6℃/W這樣，功率LED的總熱阻有望可以控制在4～6℃/W以內，此時熱阻主要貢獻在于芯片材料本身。LED熱阻的讀取在LED規格書中，都有以下兩個圖像（科銳某款LED）：從這兩個圖像中可以得出LED消耗的功率和LED的熱阻：熱阻=（PN結的極限溫度-折線拐角處的環境溫度值）/功率LED熱阻的讀取我們做LED燈具設計，了解到LED的熱阻，進而通過計算結溫，這樣也就簡單了，但是由于一些小的廠家隨意標稱參數，熱阻的定義并不準確。下面為某個廠家3528、2835、3014三種不同封裝的產品，但是其中的正向電流遞減曲線圖均相同。那我們讀取這個參數計算熱阻還有意義嗎？8.3LED結溫的測量通過上面的分析，我們了解到部分廠家的規格書中數據并不可信。因此我們需要測試LED的結溫。1.什么是LED的結溫LED的基本結構是一個半導體的P—N結。實驗指出，當電流流過LED元件時，P—N結的溫度將上升，嚴格意義上說，就把P—N結區的溫度定義為LED的結溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結溫。2.熱性能測量儀器溫度測量儀器的分類：1.接觸式測溫當兩個物體接觸后，經過足夠長的時間達到熱平衡后，則它們的溫度必然相等。如果其中之一為溫度計就可以用它對另一個物體實現溫度測量，這種測溫方式稱為接觸法。特點：溫度計要與被測物體有良好地熱接觸，使兩者達到熱平衡。2.熱性能測量儀器溫度測量儀器的分類：2.非接觸式測溫利用物體的熱輻射能隨溫度變化的原理測定物體溫度，這種測溫方式稱為非接觸法。特點：不與被測物體接觸，也不改變被測物體的溫度分布，熱慣性小。熱電偶溫度傳感器溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有結構簡單，測量范圍寬、準確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號便于遠傳或信號轉換等優點外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動態溫度的測量。熱電偶的工作原理兩種不同的導體或半導體A和B組合成如圖所示閉合回路，若導體A和B的連接處溫度不同（設T＞T0），則在此閉合回路