熱學根底知識介紹陳志高-07-13內容一、熱學根本術語二、散熱根本方式三、LED燈具散熱系統四、常見散熱器種類五、界面導熱材料六、PCB介紹七、熱仿真技術一、熱學根本術語1、溫升元器件溫度與環境溫度的差，假設元器件溫度為60℃，環境溫度為25℃，則溫升為35℃2、熱耗指元器件正常運行時產生的熱量。熱耗不等同于功耗，功耗指器件的輸入功率。一般電子元器件的效率比較低，大部分功率都轉化為熱量。LED的光電轉換效率一般在10%~40%，即60%~90%能量轉化為熱量。3、熱阻熱量在熱流途徑上遇到的阻力，反映介質或介質間的傳熱才能的大小，說明了1W熱量所引起的溫升大小，單位為℃/W或K/W。用熱耗乘以熱阻，即可獲得該傳熱途徑上的溫升。R=△T/P4、接觸熱阻接觸界面所產生的熱阻。主要因為兩個名義上相接觸的固體外表，實際上接觸僅發生在一些離散的面積元上，在未接觸的界面之間的間隙常充滿了空氣〔〕，熱量將以導熱和輻射的方式穿過該間隙層。工程中常用的減小接觸熱阻的主要措施：加大接觸外表之間的壓力；進步兩個接觸面的加工精度；接觸外表之間加導熱膏等材料；在構造強度答應的條件下，選用軟的金屬材料制作散熱器或器件的殼體。5、熱流密度單位面積上的傳熱量，單位W/m2等。熱流密度越大，散熱越難解決。6、LED結溫TjLED的根本構造是一個半導體的P-N結。一般把P-N結區的溫度定義為LED的結溫。LED的P-N結區溫度一般無法直接測量得到。LED結溫過高將會影響LED的：光衰壽命光通量正向電壓一般電子零件的溫度每上升10℃，壽命就縮短約一半。溫度每上升2℃，可靠性將下降10%。7、LED熱阻Rj-sp從PN結(j)到焊點(sp)的熱阻。Rj-sp=(Tj-Tsp)/Pd其中，Pd為LED功率，WPd=正向電流IF(A)*正向電壓VF(V)8、LED結溫的計算PN產生的熱量從芯片開場沿著下述通道傳遞：芯片結點→LED基底→線路板→導熱界面材料→散熱器殼體→環境〔空氣〕LED的P-N結區溫度一般無法直接測量得到。通過熱電偶測量LED焊點溫度來推算結溫。Tj=Tsp+Pd×R(j-sp)二、散熱根本方式熱量傳遞有三種方式：導熱對流輻射它們可以單獨出現，也可能兩種或三種形式同時出現。1、導熱熱從物體高溫部分沿著物體傳到低溫部分或熱從高溫物體傳遞到與之接觸的低溫物體，叫做熱傳導。根本計算公式：Q=K×A×ΔT/LQ代表為熱量，W；A為接觸面積，m2；L為傳熱途徑長度，m；ΔT為傳熱途徑兩端溫差，℃；K為材料的導熱系數，W/(m.℃)，表示材料導熱才能的大小。一般來說，固體的導熱系數大于液體，液體的大于氣體。部分金屬材料導熱系數:2、對流對流是由運動著的流體與流體流經的固體外表之間存在的溫差產生的換熱現象。根據流動的起因不同，可分為：強迫對流換熱是由于泵、風機或其他外部動力源所造成的。自然對流換熱是由于流體自身溫度場的不均勻性造成不均勻的密度場，由此產生的浮升力成為運動的動力。根本計算公式：Q=h×A×ΔTQ代表熱量，W；A為有效對流換熱面積，m2；ΔT代表固體壁面與周圍流體之間的溫度差,℃；h為對流換熱系數，W/(m2.℃)空氣自然對流時換熱系數在1~10W/(m2.℃)量級，實際應用時一般不會超過3~5W/(m2.℃)；強迫對流時換熱系數在10~100W/(m2.℃)量級，實際應用時一般不會超過30W/(m2.℃)。3、熱輻射輻射是物體通過電磁波來傳遞能量的過程。物體的溫度高于絕對零度時發出電磁波的過程，稱為熱輻射。兩個物體之間通過熱輻射傳遞熱量稱為輻射換熱。輻射換熱可以在真空中進展。熱輻射波長λμm，大部分輻射能量集中在紅外波段，其中可見光λμm。根本計算公式：Q=Aεσ(T14-T24)Q代表熱量，W；A代表有效輻射面積，m2；σ代表輻射常數，其值為-8W/m2K4T1和T2分別指的是物體和環境的絕對溫度(=攝氏溫度值+273.15)，單位K；ε是外表的黑度或輻射率。指實際物體的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比，在0~1之間。輻射率取決于物質種類、外表溫度和外表狀況，與外界條件無關，也與顏色無關。外表粗糙、氧化、無光澤，黑度大，輻射散熱才能強。對于金屬外殼，可進展外表處理如陽極氧化、噴漆等來進步黑度，強化散熱。4、增強散熱的方式增加有效散熱面積，如安裝散熱器。增加流過外表的風速，可以增加換熱系數。盡量減小導熱界面的接觸熱阻。在接觸面可以使用導熱硅膠〔絕緣性能好〕或鋁箔等材料。破壞層流邊界層，增加擾動。如在散熱器外表增加不規則凸起〔強迫對流〕。采用輻射率高的外表處理方式，增加輻射散熱量。三、LED燈具散熱系統熱阻：Rja=Rjs+Rsb+Rba=(Tj-Ta)/Pd四、散熱器材質1、金屬材料(鋁合金)導熱性能好——相對其它固體材料，金屬具有更好的熱傳導才能；易于加工——延展性好，高溫相對穩定，可采用各種加工工藝；易獲取——雖然金屬也屬不可再生資源，但供貨量大，不需特殊工序，價格也相對低廉；2、陶瓷陶瓷材料有著絕緣性好、熱導率高、紅外輻射率大、膨脹系數低的特點，完全可以成為LED照明的新材料。目前，陶瓷材料主要用于LED封裝芯片的熱沉材料、電路基板材料和燈具散熱器材料。3、導熱塑料大多為以工程塑料和通用塑料為基材，如PP、ABS、PC、PA、LCP、PPS、PEEK等。然后在塑料中填充某些金屬氧化物粉末、碳、纖維或陶瓷粉末而成。其典型的熱傳導率范圍為1~20W/m-K，一般塑料的熱傳導率只有。五、常見散熱器種類1、鋁擠型散熱器常用材料：AA6063、AA6061等鋁合金2、壓鑄型散熱器常用材料：鋁合金ADC12、AA10703、精細切削型散熱器常用材料：AA6063鋁合金、銅4、折疊(Foldfin)型散熱器5、扣fin散熱器常用材料：AA1050鋁合金、銅6、Fin+熱管散熱器

7、冷鍛型散熱器常用材料：AA6063鋁合金，AA1070鋁合金8、插齒/螺柱型散熱器六、界面導熱材料1、導熱材料的作用填充接觸面之間的空隙，減小外表接觸熱阻。通過增大兩者的接觸面積來改善導熱的效果。它可以只取導熱作用，也可以兼有導熱和絕緣兩種作用。2、導熱材料的分類還有導熱雙面膠(一般導熱系數低于1W/mK,用于有些需要膠粘的低功耗部件)、灌封膠(一般導熱系數0.5W/mK,可用于電源固定絕緣導熱)、導熱泥等。導熱膏導熱墊片導熱膠3、導熱材料的選擇導熱系數市場上1～5W/mK單純使用高導熱率的導熱材料對進步燈具整體散熱性能不大僅須略高于金屬基板的法向導熱系數厚度導熱膏和導熱硅膠所涂厚度一般為0.1~導熱墊片一般選擇厚度4、導熱材料的比較導熱性能：根本一樣價格：導熱墊片﹥導熱膠﹥導熱膏操作性：導熱墊片更容易操作，導熱膠不用鎖螺釘七、PCB介紹1、PCB的作用LED的散熱通道；LED芯片的電氣連接基板；LED芯片的物理支撐2、PCB種類及傳熱特性基板類型特點FR4_PCB板技術成熟，具有Layout上的優勢，成本低，散熱性能較差（法向導熱系數約0.3W/mK）、尺寸大，只適合于低功率產品，設計要求熱流密度<1W/in2柔性印制電路板重量輕，可彎性，厚度薄，熱傳導率約為2~3W/mK鋁基板（MCPCB）印制板基底為鋁板，熱傳導率約為1~3W/mk,具有高散熱性、電磁屏蔽性，機械強度高（強于陶瓷基板），加工性能優良，用于140℃以下，中高價位陶瓷覆銅板DCB熱傳導率高，約200~800W/mK，制作困難，不易量產，無法用於大面積基板，用于小尺寸高功率。3、鋁基板MCPCB的設計選擇由于絕緣層的影響，沿板面平行方向的導熱系數遠大于垂直板面法向的導熱系數—各向異性材料。考慮到價格因素，一般選擇導熱系數為1~2W/mK的絕緣層。產品標準厚度：、、、、、、銅箔厚度：35、70、105、140、280μm4、FR4PCB介紹

一般的功率LED不能用于FR4上，因為FR4單獨提供不了熱通道〔導熱率很低，約〕，必須增加敷銅面積和熱過孔；散熱層本身是導電性的,將導致LED之間短路。雙面覆銅+熱過孔設計只適用于熱電別離構造的LED，銅熱過孔最好采用高導熱率的材料填充；板厚和孔徑的比率>8，線路板制作難度增加，費用也會增加。過孔的熱阻可表示為：

Rth=h/(n×k×π×(D×t–t^2))

Rth:熱阻(C/W)；h:PCB厚度(m)；n:過孔數量；k:敷銅材料熱導率(銅=390W/mK)。八、熱仿真技術1、熱仿真利用數值計算對流動