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1、新一代LED散热解决新技术,一、LED照明应用产品开发原则 二、LED照明应用的技术瓶颈散热 三、散热的传统措施 四、热管技术 五、热学设计 六、案例 七、发展LED照明灯具要强调可靠性，循序渐进,一、LED照明应用产品开发原则,1.从LED的优点出发开发应用产品。 传统照明光源的优点均偏向单一化。 唯LED光源具有十五种以上的独有光源优点 高效节能、环保、寿命长、安全、低耗、色光、白光、防震、 防水、微型、高亮度、易调光、低电压、光束单方向、光束 集中等16个优点。,2.选择原有光源有明显缺点的灯具 航标灯、道路交通信号灯、路灯、景观灯。 3.应用产品市场起动的判据照明成本。 （1）光源的初
2、始成本 （2）光源所消耗能源成本 （3）更换光源劳动成本 （4）光源更换频率,LED光源能大大降低百万流明小时值 传统光源则保持恒定不变。 白炽灯为40元 荧光灯为7.4元 LED 2005年 29.34元 2010年 6.36元 2020年 3.28元,4.半导体照明应用产品的技术关键是散热 与白炽灯、卤钨灯不同的是温度升高非但不会增加效率，结温上升会大幅度下降效率，更高的结温更会使器件光输出明显随时间衰减，而使寿命降低。这样就会裳失LED寿命长、效率高的优点。所以应该认真对待LED照明灯具的热学设计。 5.造型设计要创新 LED 光源的小形、X形为灯光的造型 设计创新提供了优越的条件，可以
3、开发出不仅是高效节能的科技产品，而且是美观大方赏心悦目的艺术作品。,6.开发LED照明应用产品的根本动力来自半导体照明光源发光效率的不断提高 随着LED发光效率的不断提高，我们可以开发出一批又一批的半导体照明灯具,二、LED照明应用的技术瓶颈散热,举例：1 航标灯 留支架加厚、加宽焊接铜薄等。 2 道路交通信号灯 留部分支架、500个后效率提高121个已解决 3 5LED先制作的路灯 （500个，700个）衰减严重，无法解决中 4 1WLED制作路灯 正在解决中.,半导体照明工程863项目 （2008.6.17）,LED功能性照明系统集成技术开发课题申请指南 内容之一：功率型LED在实际环境下
4、成组使用时灯光的散 热技术，提高发光；效率及使用寿命 指标之二：灯光整体光效80lm/W 热阻9/W,正常点亮时结温温升25 工作寿命50000小时（光通量下降到初始值70%）,三、散热的传统措施,1.强制（主动）散热 （1）风冷 （2）水冷（包括喷射水冷） （3）半导体制冷 2.自然散热（热传导） 散热器 散热面积 气流 伯努利原理 防积灰,凡有温差的地方就有热量的传递。热量的传递过程可分为稳定过程和不稳定过程两大类,传热的基本计算公式为：,式中： 热流量，W； 总传热系数，W/(m2)； A 传热面积，m2； t 热流体与冷流体之间的温差，。,热量传递的三种基本方式：导热、对流和辐射,一、
5、导热,导热的微观机理,气体的导热是气体分子不规则运动时相互碰撞的结果；金属导体中的导热主要靠自由电子的运动完成；非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动来实现；液体中的导热主要依靠弹性波。,导热基本定律傅立叶定律,式中： 热流量，W； 导热系数，W/(m)； A 垂直与热流方向的横截面面积，m2； x方向的温度变化率，/m。 负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。,二、对流,可分为自然对流和强迫对流两大类,对流换热采用牛顿冷却公式计算,式中：hc 对流换热系数，W/(m2)； A 对流换热面积，m2； tw 热表面温度，； tf 冷却流体温度，。,三、辐射,辐射能以电磁波的形式传递,任意物
6、体的辐射能力可用下式计算,式中： 物体的表面黑度； 0 斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.6710-8 W/(m2K4)； A 辐射表面积，m2； T 物体表面的热力学温度，K。,一、热电模拟方法,将热流量（功耗）模拟为电流；温差模拟为电压（或称电位差）；热阻模拟为电阻，热导模拟为电导；对于瞬态传热问题，可以把热容（cpqm）模拟为电容。这种模拟方法适用于各种传热形式，尤其是导热。,二、热电模拟网络,利用热电模拟的概念，可以解决稳态和瞬态的传热计算。恒温热源等效于理想的恒压源。恒定的热流源等效为理想的电流源。导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理。热沉等效于“接地”，所有的热源和热回路均与其相连接，
7、形成热电模拟网络。,从实际传热观点而言，热设计时应利用中间散热器，它们一般属于设备的一部分，通常为设备的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。,三、传热路径,热流量经传热路径至最终的部位，通称为“热沉”，它的温度不随传递到它的热量大小而变，即相当于一个无限大容器。热沉可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，取决于被冷却设备所处的环境。,四、热阻的确定,确定热阻的步骤,a. 根据对每个元器件的可靠性要求，确定元器件的最高允许温度,b. 确定设备或冷却剂的最高环境温度,c. 根据上述两条规定，确定每个元器件的允许温升,d. 确定每个元器件冷却时所需的热阻,热阻的计算,式中R
8、t 为整个传热面积上的热阻，/W。,a. 平壁导热热阻：,b. 对流换热热阻：,c. 辐射换热网络法,任意两表面间的辐射网络如下图所示：,图中Eb1和Eb2分别代表同温度下的表面1和表面2的黑体辐射力；J1和J2分别为表面1和表面2的有效辐射。,2.5 热设计步骤,1. 熟悉和掌握与热设计有关的标准、规范，确定设备（或元器件）的散热面积、散热器或冷却剂的最高和最低环境温度范围。,2. 确定可利用的冷却技术和限制条件。,3. 对每个元器件进行应力分析，并根据设备可靠性及分配给每个器件的失效率，确定每个器件的最高允许温度。确定每个发热元器件的功耗。,4. 画出热电模拟网络图。,5. 由元器件的内热
9、阻确定其最高表面温度。,6. 确定器件表面至散热器或冷却剂所需的回路总热阻。,7. 根据热流密度和有关因素，对热阻进行分析和初步分配。,8. 对初步分配的各类热阻进行评估，以确定这种分配是否合理。并确定可以采用的或允许采用的冷却技术是否能够达到这些要求。,9. 选择适用于回路中每种热阻的冷却技术或传热方法。,10. 估算所选冷却方案的成本，研究其它冷却方案，进行对 比，以便找到最佳方案。,11. 热设计的同时，还应考虑可靠性、安全性、维修性及电 磁兼容设计。,第三章 冷却方法的选择,3.1 冷却方法的分类,3.2 冷却方法的选择,3.3 冷却方法选择示例,3.1 冷却方法的分类,按冷却剂与被冷
10、元件之间的配置关系,a. 直接冷却,b. 间接冷却,按传热机理,a. 自然冷却（包括导热、自然对流和辐射换热的单独作用或两种以上 换热形式的组合）,b. 强迫冷却（包括强迫风冷和强迫液体冷却等）,c. 蒸发冷却,d. 热电致冷,e. 热管传热,f. 其它冷却方法,3.2 冷却方法的选择,一、温升为40时，各种冷却方法的热流密度和体积功率密度值如右图所示,二、冷却方法可以根据热流密度和温升要求，按下图(图3.2)关系进行选择。这种方法适用于温升要求不同的各类设备的冷却,三、设备内部的散热方法应使发热元器件与被冷却表面或散热器之间有一条低热阻的传热路径。,四、利用金属导热是最基本的传热方法，其热路
11、容易控制。而辐射换热则需要比较高的温差，且传热路径不容易控制。对流换热需要较大的面积，在安装密度较高的设备内部难以满足要求。,五、大多数小型电子元器件最好采用自然冷却方法。自然对流冷却表面的最大热流密度为0.039W/cm2。有些高温元器件的热流密度可高达0.078W/cm2。,六、强迫空气冷却是一种较好的冷却方法。若电子元器件之间的空间有利于空气流动或可以安装散热器时，就可以采用强迫空气冷却。,七、直接液体冷却适用于体积功率密度较高的元器件 或设备。直接液体冷却要求冷却剂与元器件相容，其典型热阻为每平方厘米1.25/W。直接强迫液体冷却的热阻为每平方厘米0.03/W。,八、直接沸腾冷却适用于
12、体积功率密度很高的设备或元器件，其热阻值为每平方厘米0.006/W。,九、热电致冷是一种产生负热阻的致冷技术。优点是不需要外界动力、且可靠性高；缺点是重量大、效率低。,十、热管是一种传热效率很高的传热器件，其传热性能比相同的金属导热要高几十倍，且两端的温差很小。应用热管时，主要问题是如何减小热管两端接触界面上的热阻。,Y类绝缘材料（包括木材、棉花、纸、纤维等天然纺织品，以醋酸纤维和聚酰胺为基础的纺织品，以及熔化点较低的塑料等）的极限温度为90,A类绝缘材料（包括用油或油树脂复合胶浸过的Y类材料，漆包线、漆布、漆丝及油性漆、沥青漆等）的极限温度为105,E类绝缘材料（包括聚酯薄膜和A类材料复合、
13、玻璃布、油性树脂漆、聚乙烯醇缩醛高强度漆包线、乙酸乙烯耐热漆包线）的极限温度为120,B类绝缘材料（包括聚酯薄膜、经和成树脂粘合或浸渍涂敷的云母、石棉、玻璃纤维等，聚酯漆、聚酯漆包线）的极限温度为130,H类绝缘材料（包括复合云母、有机硅云母制品、硅有机漆、硅有机橡胶、聚酰亚胺复合玻璃布、复合薄膜、聚酰亚胺漆等）的极限温度为180,C类绝缘材料（包括不采用任何有机粘合剂或浸渍剂的无机物，如云母、石棉、玻璃、石英和电瓷材料等）的极限温度为180以上,电容器的热特性,电容器一般不作热源处理，但漏电很高的电解电容器以及在发射机射频电路中损耗系数很高的电容器应作为一个热源考虑。电容器的泄漏电阻随温度的
14、升高而降低。,玻璃介质电容器的最高工作温度为200,塑料外壳云母介质电容器的最高工作温度为120,釉瓷电容器的最高工作温度为120,钛酸钡介质电容器的温度上限约为85,普通高质量电解电容器的最高环境温度为85。钽电解电容器的最高环境温度按不同型号分别规定为125、150、175和200,可变电容器（除钛酸钡外）所用的介质材料都能在200工作,四、热管技术,1963年G.W.Grover 发明热管散热技术。 热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的元件；它是利用热源本身的能量，将热量转移到冷端。热管一端是蒸发端，另一端为冷凝端，内充适量的液体作工作介质，气相、液相循环，在一定温差下将热量不断地
15、传导出来。原用于航天技术，现广泛用于电脑的CPU散热。 传热效率比相同重量的金属高100倍！,毛细头,平衡时有:,上升高度h:,就是毛细头,它是热管循环的基本推动力,热管工作示意图,不同大小热管的性能（1 mm)倒装芯片）,回路热管,前苏联Maidanik 发明 用于宇航天,一支15万美元 不久发表文章,说明可用于功率电子器件的散热. 由蒸发器，回路管和冷凝器三部份组成，效率更高 蒸发器热阻 0.150.2/W 整体热阻 0.5/W 蒸发器热阻0.1/W 量产成本10美元/个（用于100W） 寿命长（十年），1212天连续试验性能未变。（3.3年）,五、热学设计,1、LED灯光的散热通道,2.
16、热学设计原则,总原则是使芯片、器件、灯具结构具有低热阻和高效的散热 器使芯片上产生的热量，能通畅地传到散热器上，并有效散发 到环境中去。 热阻就是结构对热功率传输所产生的阻力。通常将两个节点之 间单位热功率输送所产生的温度差定义为该两个节点间的热阻 RT为两节点间的热阻； T为两节点之间的温度；PD为两个节点之间的热功率流，热阻单位为/W,传导热阻： 结构层热阻RT，正比于层的厚度，反比于材料的热导率和层的面积S； 扩展热阻： 当一热功率流通过一小面积进入到无限固体中去时，新产生的 热阻为扩展热阻。它的大小除了为该无限固体材料的热导率有关 外，不仅于面积有关，而且还于形状有关。就给定面积而言， 细长形接触的扩展热阻低于方形，环形的扩展热阻小于椭圆形 的，更小于圆形。,LED灯光的总热阻，就是结构层热阻为扩展热阻之积。 R总=R1-2+R3-4+R4-5+R5-6+R6-7+R7-8+R8-
