热学基础知识介绍

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。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/P4、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。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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从PN结(j)到焊点(sp)的热阻。Rj-sp=(Tj-Tsp)/Pd其中，Pd为LED功率，WPd=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。Tj=Tsp+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。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−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10~100W/(m2.℃)量级，实际应用时一般不会超过30W/(m2.℃)。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)−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。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。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。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2、压铸型散热器常用材料：铝合金ADC12、AA10703、精密切削型散热器常用材料：AA6063铝合金、铜4、折叠(Foldfin)型散热器5、扣fin散热器常用材料：AA1050铝合金、铜6、Fin+热管散热器7、冷锻型散热器常用材料：AA6063铝合金，AA1070铝合金8、插齿/螺柱型散热器六、界面导热材料1、导热材料的作用填充接触面之间的空隙，减小表面接触热阻。通过增大两者的接触面积来改善导热的效果。它可以只取导热作用，也可以兼有导热和绝缘两种作用。2、导热材料的分类还有导热双面胶(一般导热系数低于1W/mK,用于有些需要胶粘的低功耗部件)、灌封胶(一般导热系数0.5W/mK,可用于电源固定绝缘导热)、导热泥等。导热膏导热垫片导热胶3、导热材料的选择导热系数•市场上1～5W/mK•单纯使用高导热率的导热材料对提高灯具整体散热性能不大•仅须略高于金属基板的法向导热系数厚度•导热膏和导热硅胶所涂厚度一般为0.1~0.2mm•导热垫片一般选择0.5mm厚度4、导热材料的比较导热性能：基本相同价格：导热垫片﹥导热胶﹥导热膏操作性：导热垫片更容易操作，导热胶不用锁螺钉七、PCB介绍1、PCB的作用LED的散热通道；LED芯片的电气连接基板；LED芯片的物理支撑2、PCB种类及传热特性基板类型特点FR4_PCB板技术成熟，具有Layout上的优势，成本低，散热性能较差（法向导热系数约0.3W/mK）、尺寸大，只适合于低功率产品，设计要求热流密度1W/in2柔性印制电路板重量轻，可弯性，厚度薄，热传导率约为2~3W/mK铝基板（MCPCB）印制板基底为铝板，热传导率约为1~3W/mk,具有高散热性、电磁屏蔽性，机械强度高（强于陶瓷基板），加工性能优良，用于140℃以下，中高价位陶瓷覆铜板DCB热传导率高，约200~800W/mK，制作困难，不易量产，無法用於大面積基板，用于小尺寸高功率。3、铝基板MCPCB的设计选择由于绝缘层的影响，沿板面平行方向的导热系数远大于垂直板面法向的导热系数—各向异性材料。考虑到价格因素，一般选择导热系数为1~2W/mK的绝缘层。产品标准厚度：0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.0mm铜箔厚度：35、70、105、140、280µm4、FR4PCB介绍一般的功率LED不能用于FR4上，因为FR4单独提供不了热通道（导热率很低，约0.3W/mK），必须增加敷铜面积和热过孔；散热层本身是导电性的,将导致LED之间短路。双面覆铜+热过孔设计只适用于热电分离结构的LED，铜热过孔最好采用高导热率的材料填充；板厚和孔径的比率8，线路板制作难度增加，费用也会增加。过孔的热阻可表示为：Rth=h/(n×k×π×(D×t–t^2))Rth:热阻(C/W)；h:PCB厚度(m)；n:过孔数量；k:敷铜材料热导率(铜=390W/mK)。八、热仿真技术1、热仿真利用数值计算对流动与传热问题进行求解的方法。热仿真软件有FloEFD、Icepak等2、热仿真的好处预测产品散热方案的可行性快速优化散热设计方案缩短产品开发周期，降低开发成本3、热仿真结果分析及优化设计温度分布注意模型中温度梯度（温差）较大的区域或环节，以便改进散热设计。流场分布注意流场中流动较弱(流速较小)或流动死区以及有回流发生的区域，以便改进流道设计。TheEndThanks