燈具LED熱設(shè)計(jì)及仿真模擬特制材料

1、1.燈具熱設(shè)計(jì)意義高溫對(duì)電子產(chǎn)品的影響: 絕緣性能退化 元器件損壞 材料的熱老化 低熔點(diǎn)焊縫開(kāi)裂、焊點(diǎn)脫落熱設(shè)計(jì)對(duì)燈具的影響:光源工作狀態(tài)及壽命燈具電氣安全材料選擇與壽命2.電子失效的主要原因3.電子產(chǎn)品失效與溫升4.熱設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)熱設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題耗散的熱量決定了溫升，因此也決定了任一給定結(jié)構(gòu)的溫度；熱量以導(dǎo)熱、對(duì)流及輻射傳遞出去，每種形式傳遞的熱量與其熱阻成反比；熱量、熱阻和溫度是熱設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)；所有的冷卻系統(tǒng)應(yīng)是最簡(jiǎn)單又最經(jīng)濟(jì)的，并適合于特定的電氣和機(jī)械、環(huán)境條件，同時(shí)滿(mǎn)足可靠性要求；熱設(shè)計(jì)應(yīng)與電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)出現(xiàn)矛盾時(shí)，應(yīng)進(jìn)行權(quán)衡分析，折衷解決;5.熱傳播方

2、式熱傳導(dǎo)傳導(dǎo)是發(fā)生在兩種直接接觸的介質(zhì)（固體，液體，氣體）傳導(dǎo)過(guò)程中，能量通過(guò)以下方式傳遞 自由電子運(yùn)動(dòng) 點(diǎn)陣振動(dòng)6.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。 可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬來(lái) 解釋熱阻的意義，換熱量相當(dāng)于電流，溫差相當(dāng)于電壓，則熱阻相當(dāng)于電阻。 dq/dt=t/r or：d q / d t = t / r = 熱流t = 溫度a = 橫截面積k = 熱導(dǎo)系數(shù)x = 厚度r =x /（k a）= 熱阻7.對(duì)流對(duì)流發(fā)生在有溫差的表面和運(yùn)動(dòng)流體間的傳熱對(duì)流有如下兩

3、種方式： 自然對(duì)流散熱 強(qiáng)制對(duì)流散熱 external flow 外流 internal flow 內(nèi)流dq/dt = 小塊到空氣的全部熱量h = 對(duì)流換熱系數(shù) a = 有效散熱面積 tw = 熱表面溫度tf = 氣流的平均溫度r = 1 /(ha) 熱阻8.熱輻射輻射發(fā)生在兩種沒(méi)有直接接觸的表面能量通過(guò)電磁波傳遞所有物體大于0 k均發(fā)生熱幅射dq/dt:兩個(gè)表面幅射交換能量為：where, dq/dt = 熱流= stefan-boltzmann 常數(shù)= 表面發(fā)射率f = 表面1到表面2的視因子a = 輻射面積t1, t2 = 發(fā)射面和接受面溫度9. led光源特性與傳統(tǒng)光源不同，高功率發(fā)光

4、二極管（led）不產(chǎn)生熱輻射，而由其pn結(jié)向led封裝上的散熱片（thermal slug）進(jìn)行熱傳導(dǎo)。由于通過(guò)傳導(dǎo)方式擴(kuò)散，led 產(chǎn)生的熱量進(jìn)入空氣的通路較長(zhǎng)且成本較高。10.散熱設(shè)計(jì)大功率led照明光源需要解決的散熱問(wèn)題涉及 以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：晶片pn結(jié)到外延層；外延層到封裝基板；封裝基板到外部冷卻裝置再到空氣。為了取得好的導(dǎo)熱效果，三個(gè)導(dǎo)熱環(huán)節(jié)應(yīng)采用熱導(dǎo)系數(shù)高的材料，并盡量提高對(duì)流散熱。11.散熱片12. led散熱基板a.一般fr4（pcb）b.金屬基pcb c.陶瓷基板 d.直接銅塊結(jié)合一般fr4，熱導(dǎo)系數(shù)0.36金屬氧化作為絕緣層，熱導(dǎo)系數(shù)20k/mk陶瓷基板熱膨脹系數(shù)與chip匹配

5、導(dǎo)熱系數(shù)>80價(jià)格高,無(wú)法應(yīng)用于大面積基板13.散熱片散熱器通過(guò)擴(kuò)大散熱面 積提高傳熱效果最常用的散熱器是翅片散熱器最常用的散熱器材料為鋁或銅現(xiàn)有的散熱器種類(lèi)：stampings沖壓extrusions拉伸bonded/fabricated粘接folded折疊casting鑄造針對(duì)給定的應(yīng)用選擇散熱器，我們必須 考慮以下四點(diǎn)：從結(jié)點(diǎn)到空氣的熱阻允許空間可能的空氣流量散熱器的成本整體的熱阻rja = (tj - tamb)/p = rjc + rcs + rsarjc,rcs,rsa分別是 結(jié)到殼，殼到散熱器，散熱 器到空氣的熱阻熱管技術(shù)熱管是一種具有高效 導(dǎo)熱性能的傳熱器件。它能夠在熱源

6、與散熱片間以較小的溫差實(shí)現(xiàn)熱傳遞，也可以在散熱器基板表面實(shí)現(xiàn) 等溫以提高散熱器的效率。14.熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)v熱管技術(shù)Øtherma-base heat sinks與型材散熱器的比較15.熱設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品的溫度場(chǎng)作出預(yù)測(cè)，使我們?cè)谶M(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)關(guān)注熱點(diǎn)區(qū)域。進(jìn)行各種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣分析，得出最佳的設(shè)計(jì)方案。對(duì)設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的依賴(lài)度設(shè)計(jì)周期熱設(shè)計(jì)一次成功率熱設(shè)計(jì)方案 的優(yōu)化程度效率傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)方法完全短低低，裕量大低仿真分析方法強(qiáng)長(zhǎng)高高，裕量適中高電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)軟件是基于計(jì)算傳熱學(xué)技術(shù)（nts）和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)（cfd）發(fā)展電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)輔助分析軟件。目前商業(yè)的熱設(shè)計(jì)軟件種類(lèi)繁多，有基于有

7、限體積法的flotherm、i-deas、ice-pack、tasharvard thermal、cool it、betasoft，及基 于有限元的ansys等，其中flotherm、i-deas、 ice-pack占據(jù)大部分的市場(chǎng)份額。16. ansys軟件介紹ansys軟件是由美國(guó)ansys公司推出的多物理場(chǎng) 有限元仿真分析軟件，涉及結(jié)構(gòu)、熱、計(jì)算流 體力學(xué)、聲、電磁等學(xué)科，能夠有效地進(jìn)行各 種場(chǎng)的線(xiàn)性和非線(xiàn)性計(jì)算及多種物理場(chǎng)相互影 響的耦合分析。structure是該軟件面向結(jié)構(gòu) 分析研究的專(zhuān)用模塊。flortran是該軟件面向流場(chǎng)分析研究的專(zhuān)用模塊。thermal是其中面 向熱設(shè)計(jì)研究

8、的專(zhuān)用模塊。17.flothermal 熱分析軟件介紹flotherm是英國(guó)的flomerics公司開(kāi)發(fā)的電 子設(shè)備熱設(shè)計(jì)軟件，其最顯著的特點(diǎn)是針對(duì)電 子設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)，提供的熱設(shè)計(jì)組件模型， 根據(jù)這些組件模型可以快速的建立機(jī)柜、插框、 單板、芯片、風(fēng)扇、散熱器等電子設(shè)備的各組成部分。flotherm軟件基本上可以分為前處理、求解器和后處理三個(gè)部分。前處理包括project manager、drawingboard和 flogate。求解器是flosolve模塊，它可以完成模型的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)計(jì)算。后處理部分包括visulation、flomotion和table，visulation完成仿真計(jì)算結(jié)果的可視化顯示。18.icepak 熱分析軟件優(yōu)點(diǎn)icepak是全球cfd的領(lǐng)導(dǎo)者fluent公司通 過(guò)集成icem cfd公司的網(wǎng)格劃分及后處理技 術(shù)而開(kāi)發(fā)成功的針對(duì)電子設(shè)備冷卻分析的專(zhuān)用 熱設(shè)計(jì)軟件。icepak 熱分析軟件優(yōu)點(diǎn)建模能力： 除了有矩形，圓形模型外，還有多種復(fù)雜形狀模 型，如橢球體、多面體、管道、斜板等模型； 有thin- conduction 薄板模型 網(wǎng)格技術(shù)