熱學(xué)基礎(chǔ)知識介紹優(yōu)秀課件

熱學(xué)基礎(chǔ)知識介紹陳志高2013-07-131內(nèi)容一、熱學(xué)基本術(shù)語二、散熱基本方式三、LED燈具散熱系統(tǒng)四、常見散熱器種類五、界面導(dǎo)熱材料六、PCB介紹七、熱仿真技術(shù)2一、熱學(xué)基本術(shù)語1、溫升元器件溫度與環(huán)境溫度的差，假如元器件溫度為60℃，環(huán)境溫度為25℃，則溫升為35℃2、熱耗指元器件正常運行時產(chǎn)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(zhuǎn)化為熱量。LED的光電轉(zhuǎn)換效率一般在10%~40%，即60%~90%能量轉(zhuǎn)化為熱量。33、熱阻熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力的大小，表明了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，即可獲得該傳熱路徑上的溫升。R=△T/P4、接觸熱阻接觸界面所產(chǎn)生的熱阻。主要因為兩個名義上相接觸的固體表面，實際上接觸僅發(fā)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（0.026W/mK），熱量將以導(dǎo)熱和輻射的方式穿過該間隙層。4工程中常用的減小接觸熱阻的主要措施：加大接觸表面之間的壓力；提高兩個接觸面的加工精度；接觸表面之間加導(dǎo)熱膏等材料；在結(jié)構(gòu)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。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。56、LED結(jié)溫TjLED的基本結(jié)構(gòu)是一個半導(dǎo)體的P-N結(jié)。一般把P-N結(jié)區(qū)的溫度定義為LED的結(jié)溫。LED的P-N結(jié)區(qū)溫度一般無法直接測量得到。LED結(jié)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%。67、LED熱阻Rj-sp從PN結(jié)(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)78、LED結(jié)溫的計算PN產(chǎn)生的熱量從芯片開始沿著下述通道傳遞：

芯片結(jié)點→LED基底→線路板→導(dǎo)熱界面材料→散熱器殼體→環(huán)境（空氣）LED的P-N結(jié)區(qū)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(jié)溫。Tj=Tsp+Pd×R(j-sp)8二、散熱基本方式熱量傳遞有三種方式：導(dǎo)熱對流輻射它們可以單獨出現(xiàn)，也可能兩種或三種形式同時出現(xiàn)。91、導(dǎo)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(dǎo)?；居嬎愎剑篞=K×A×ΔT/LQ代表為熱量，W；A為接觸面積，m2；L為傳熱路徑長度，m；ΔT為傳熱路徑兩端溫差，℃；K為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m.℃)，表示材料導(dǎo)熱能力的大小。一般來說，固體的導(dǎo)熱系數(shù)大于液體，液體的大于氣體。10部分金屬材料導(dǎo)熱系數(shù):

112、對流對流是由運動著的流體與流體流經(jīng)的固體表面之間存在的溫差產(chǎn)生的換熱現(xiàn)象。根據(jù)流動的起因不同，可分為：強制對流換熱是由于泵、風(fēng)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(chǎn)生的浮升力成為運動的動力。12基本計算公式：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(shù)，W/(m2.℃)空氣自然對流時換熱系數(shù)在1~10W/(m2.℃)量級，實際應(yīng)用時一般不會超過3~5W/(m2.℃)；強制對流時換熱系數(shù)在10~100W/(m2.℃)量級，實際應(yīng)用時一般不會超過30W/(m2.℃)。133、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(fā)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行。熱輻射波長λ=0.1-100μm，大部分輻射能量集中在紅外波段，其中可見光λ=0.4-0.8μm。14基本計算公式：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(shù)，其值為5.67X10-8W/m2K4T1和T2分別指的是物體和環(huán)境的絕對溫度(=攝氏溫度值+273.15)，單位K；ε是表面的黑度或輻射率。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(zhì)種類、表面溫度和表面狀況，與外界條件無關(guān)，也與顏色無關(guān)。表面粗糙、氧化、無光澤，黑度大，輻射散熱能力強。對于金屬外殼，可進行表面處理如陽極氧化、噴漆等來提高黑度，強化散熱。154、增強散熱的方式增加有效散熱面積，如安裝散熱器。增加流過表面的風(fēng)速，可以增加換熱系數(shù)。盡量減小導(dǎo)熱界面的接觸熱阻。在接觸面可以使用導(dǎo)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。如在散熱器表面增加不規(guī)則凸起（強制對流）。采用輻射率高的表面處理方式，增加輻射散熱量。16三、LED燈具散熱系統(tǒng)熱阻：Rja=Rjs+Rsb+Rba=(Tj-Ta)/Pd17四、散熱器材質(zhì)1、金屬材料(鋁合金)

導(dǎo)熱性能好——相對其它固體材料，金屬具有更好的熱傳導(dǎo)能力；

易于加工——延展性好，高溫相對穩(wěn)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(dǎo)率高、紅外輻射率大、膨脹系數(shù)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(dǎo)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(dǎo)率范圍為1~20W/m-K，一般塑料的熱傳導(dǎo)率只有0.2W/m-K。18五、常見散熱器種類1、鋁擠型散熱器常用材料：AA6063、AA6061等鋁合金192、壓鑄型散熱器常用材料：鋁合金ADC12、AA1070203、精密切削型散熱器常用材料：AA6063鋁合金、銅214、折疊(Foldfin)型散熱器225、扣fin散熱器常用材料：AA1050鋁合金、銅236、Fin+熱管散熱器24

7、冷鍛型散熱器常用材料：AA6063鋁合金，AA1070鋁合金258、插齒/螺柱型散熱器26六、界面導(dǎo)熱材料1、導(dǎo)熱材料的作用填充接觸面之間的空隙，減小表面接觸熱阻。通過增大兩者的接觸面積來改善導(dǎo)熱的效果。它可以只取導(dǎo)熱作用，也可以兼有導(dǎo)熱和絕緣兩種作用。2、導(dǎo)熱材料的分類還有導(dǎo)熱雙面膠(一般導(dǎo)熱系數(shù)低于1W/mK,用于有些需要膠粘的低功耗部件)、灌封膠(一般導(dǎo)熱系數(shù)0.5W/mK,可用于電源固定絕緣導(dǎo)熱)、導(dǎo)熱泥等。導(dǎo)熱膏導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱膠273、導(dǎo)熱材料的選擇導(dǎo)熱系數(shù)市場上1～5W/mK單純使用高導(dǎo)熱率的導(dǎo)熱材料對提高燈具整體散熱性能不大僅須略高于金屬基板的法向?qū)嵯禂?shù)厚度導(dǎo)熱膏和導(dǎo)熱硅膠所涂厚度一般為0.1~0.2mm導(dǎo)熱墊片一般選擇0.5mm厚度4、導(dǎo)熱材料的比較導(dǎo)熱性能：基本相同價格：導(dǎo)熱墊片﹥導(dǎo)熱膠﹥導(dǎo)熱膏操作性：導(dǎo)熱墊片更容易操作，導(dǎo)熱膠不用鎖螺釘28七、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(shù)成熟，具有Layout上的優(yōu)勢，成本低，散熱性能較差（法向?qū)嵯禂?shù)約0.3W/mK）、尺寸大，只適合于低功率產(chǎn)品，設(shè)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(dǎo)率約為2~3W/mK鋁基板（MCPCB）印制板基底為鋁板，熱傳導(dǎo)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(yōu)良，用于140℃以下，中高價位陶瓷覆銅板DCB熱傳導(dǎo)率高，約200~800W/mK，制作困難，不易量產(chǎn)，無法用於大面積基板，用于小尺寸高功率。293、鋁基板MCPCB的設(shè)計選擇由于絕緣層的影響，沿板面平行方向的導(dǎo)熱系數(shù)遠大于垂直板面法向的導(dǎo)熱系數(shù)—各向異性材料。考慮到價格因素，一般選擇導(dǎo)熱系數(shù)為1~2W/mK的絕緣層。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)厚度：0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.0mm銅箔厚度：35、70、105、140、280μm304、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(dǎo)熱率很低，約0.3W/mK），必須增加敷銅面積和熱過孔；散熱層本身是導(dǎo)電性的,將導(dǎo)致LED之間短路。31雙面覆銅+熱過孔設(shè)計只適用于熱電分離結(jié)構(gòu)的LED，銅熱過孔最好采用高導(dǎo)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(shù)量；k:敷銅材料熱導(dǎo)率(銅=390W/mK)。32八、熱仿真技術(shù)1、熱仿真利用數(shù)值計算對流動與傳熱問題進行求解的方法。熱仿真軟件有FloEFD、Icepak等2、熱仿真的好處預(yù)測產(chǎn)品散熱方案的可行性快速優(yōu)化散熱設(shè)計方案縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本333、熱仿真結(jié)果分析及優(yōu)化設(shè)計溫度分布注意模型中溫度梯度（溫差）較大的區(qū)域或環(huán)節(jié)，以便改進散熱設(shè)計。流場分布

注意流場中流動較弱(流速較小)或流動死區(qū)以及有回流發(fā)生的區(qū)域，以便改進流道設(shè)計。34

TheEndThanks35愛是什么？

一個精靈坐在碧綠的枝葉間沉思。

風(fēng)兒若有若無。

一只鳥兒飛過來，停在枝上，望著遠處將要成熟的稻田。

精靈取出一束黃澄澄的稻谷問道：“你愛這稻谷嗎？”

“愛。”

“為什么？”

“它驅(qū)趕我的饑餓。”

鳥兒啄完稻谷，輕輕梳理著光潤的羽毛。

“現(xiàn)在你愛這稻谷嗎？”精靈又取出一束黃澄澄的稻谷。

鳥兒抬頭望著遠處的一灣泉水回答：“現(xiàn)在我愛那一灣泉水，我有點渴了。”

精靈摘下一片樹葉，里面盛了一汪泉水。

鳥兒喝完泉水，準(zhǔn)備振翅飛去。

“請再回答我一個問題，”精靈伸出指尖，鳥兒停在上面。

“你要去做什么更重要的事嗎？我這里又稻谷也有泉水?！?/p>

“我要去那片開著風(fēng)信子的山谷，去看那朵風(fēng)信子。”

“為什么？它能驅(qū)趕你的饑餓？”

“不能。”

“它能滋潤你的干渴？”

“不能?！睈凼鞘裁矗?/p>

一個精靈坐在碧綠的枝葉間沉思。

風(fēng)兒若有若無。

一只鳥兒飛過來，停在枝上，望著遠處將要成熟的稻田。

精靈取出一束黃澄澄的稻谷問道：“你愛這稻谷嗎？”

“愛?！?/p>

“為什么？”

“它驅(qū)趕我的饑餓?！?/p>

鳥兒啄完稻谷，輕輕梳理著光潤的羽毛。

“現(xiàn)在你愛這稻谷嗎？”精靈又取出一束黃澄澄的稻谷。

鳥兒抬頭望著遠處的一灣泉水回答：“現(xiàn)在我愛那一灣泉水，我有點渴了?！?/p>

精靈摘下一片樹葉，里面盛了一汪泉水。

鳥兒喝完泉水，準(zhǔn)備振翅飛去。

“請再回答我一個問題，”精靈伸出指尖，鳥兒停在上面。

“你要去做什么更重要的事嗎？我這里又稻谷也有泉水?！?/p>

“我要去那片開著風(fēng)信子的山谷，去看那朵風(fēng)信子?！?/p>

“為什么？它能驅(qū)趕你的饑餓？”

“不能?！?/p>

“它能滋潤你的干渴？”

“不能。”36

其實，世上最溫暖的語言，“不是我愛你，而是在一起?！?/p>

所以懂得才是最美的相遇！只有彼此以誠相待，彼此尊重，相互包容，相互懂得，才能走的更遠。相遇是緣，相守是愛。緣是多么的妙不可言，而懂得又是多么的難能可貴。否則就會錯過一時，錯過一世！擇一人深愛，陪一人到老。一路相扶相持，一路心手相牽，一路笑對風(fēng)雨。在平凡的世界，不求愛的轟轟烈烈；不求誓言多么美麗；唯愿簡單的相處，真心地付出，平淡地相守，才不負最美的人生；不負善良的自己。人海茫茫，不求人人都能刻骨銘心，但求對人對己問心無愧，無怨無悔足矣。大千世界，與萬千人中遇見，只是相識的開始，只有彼此真心付出，以心交心，以情換情，相知相惜，才能相伴美好的一生，一路同行。