产
品
与
程 工
仿
真
实 验 室
9
热设计基本要求
工程上为简便计算，通常采用元器件经降额设计后允许的最高温度值做 为热设计目标。
降额参数 频率 输出电流 最高结温℃
产
品
与
双极性数字电路降额准则 降额等级 Ⅱ 0.90 0.90 100 Ⅲ 0.90 0.90 115
程 工
Ⅰ 0.80 0.80 85
仿
真
实 验 室
产
品
与
程 工
仿
真
实
验
室
传热学发展简介
热辐射 • 1889年卢默(O.Lummer)等人测得了黑体辐射光谱能量分 布的实验数据 • 19世纪末斯忒藩(J.Stefan)根据实验确立了黑体辐射力正 比于它的绝对温度的四次方的规律，后来在理论上被波尔 兹曼(L.Boltzmann)所证实。 • 1900年普朗克(M.Planck)提出了著名的能量子假说，揭示 了黑体辐射能量光谱分布的规律。直到1905年爱因斯坦 (A.Einstein)的光量子研究得到公认后，普朗克公式才被科 学家认同。
产
品
与
程 工
仿
真
实 验 室
12
热设计应考虑的问题
应对冷却方法进行权衡分析，使设备的寿命周期费用降至最低，而可 用性最高 热设计必须与维修性设计相结合，提高设备的可维修性 设备中关键的部件或器件，即使在冷却系统某些部分遭到破坏或不工 作的情况下，应具有继续工作的能力 对于强迫空气冷却，冷却空气的入口应远离其它设备热空气的出口， 以免过热 舰船用电子设备，应避免在空气的露点温度以下工作；机载设备宜采 用间接冷却
增强导热的方法：缩短路径；增大面积；提高导热系数
20
产
品
与
程 工
仿 真 实 验 室
导热
铝的导热系数高且密度低， 所以散热器基本都采用铝 合金加工，但在一些大功 率芯片散热中，为了提升 散热性能，常采用铝散热 器嵌铜块或者铜散热器
产
品
与
导热系数对温度的依变关系
21
程 工 仿 真 实 验 室
对流
对流是由于流体的宏观运动，从而流体各部分之间发生相对位移，冷热 流体相互掺混所引起的热量传递过程。
产
品
与
程 工
仿
真
实 验 室
11
热设计基本要求
热设计应满足对冷却系统的限制要求
• • • • 供冷却系统使用的电源的限制（交流或直流及功率） 对强迫冷却设备的振动和噪声的限制 对强迫空气冷却设备的空气出口温度的限制 对冷却系统的结构限制（包括安装条件、密封、体积和重量等）
热设计应符合与其相关的标准、规范规定的要求
产 品 与 程 工 仿 真 实 验 室
冷却方法选择
产
品
与
程 工
仿
真
实
验
室
温升为 40℃时，各种冷却方法的 热流密度和体积功率密度值
冷却方法选择
冷却方法可 以根据热流 密度和温升 要求，按下 图关系进行 选择。这种 方法适用于 温升要求不 同的各类设 备的冷却
产 品 与 程 工 仿 真 实 验 室
产
品
与
程 工
26
仿
真
实
验
室
对流
External Flow 外流
产 品 与 程 工
27
仿 真 实
Internal Flow 内流
验
室
对流
产
品
层流
湍流
与
程 工
28
仿
真
实
验
室
热辐射
辐射是物体通过电磁波来传递能量的方式，因热的原因产生的电磁 波辐射现象称为热辐射。 所有温度大于0 K的物体均发生热幅射 几乎所有热幅射发生在红外波长范围 热辐射可以在真空中进行，且真空中传递效率最高 能量传递率与表面条件及相关物体间的视角有关 辐射发射率ε（又称黑度），数值范围在0～1之间，大小与方向 有关，一般定义为法向发射率εn ，理想的黑体发射率为1。 在自然对流中，辐射与对流比重在3：7～5：5之间，温度升高， 辐射比重会增加。
产
品
与

对流
影响对流换热的因素 流体流动的起因（强迫对流or自然对流） 强迫对流比自然对流h值大 流体有无相变（凝固or凝华or液化or气化） 流体的流动状态（层流or湍流） 湍流比层流 h值大 换热表面的几何因素（形状、大小、粗糙度、换热表面与流体运 动方向的相对位置） 粗糙表面比光滑表面h值大 流体的物理性质（密度、动力粘度、导热系数、比热容） 液体比气体h值大
产
品
与
程 工
仿
真
实
验
室
传热学发展简介
对流换热 • 对流换热理论的基础是流体流动理论 • 1823年纳维(M.Navier) 提出的适用于不可压缩流体的流动 方程，1845年斯托克斯(G.G.Stokes)对此进行了改进，从 而完成了描述流体流动的纳维—斯托克斯方程。 • 1880年雷诺(O.Reynolds)提出了对流动有决定性影响的无 量纲物理量群，即雷诺数。 • 1909年和1915年努塞尔(W.Nusselt)对强制对流和自然对 流的基本微分方程及边界条件进行量纲分析获得了有关无 量纲数之间的原则关系，有力地促进了对流换热研究的发 展。
产
品
与
程 工
仿
真 实 验 室
14
热设计流程
产
品
与
程 工
仿
真
实
验
室
15
LED散热基本因素
热量传递的三种基本方式：导热、对流和热辐射。
产
品 与 程 工 仿 真 实 验 室
19
导热
导热是物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由 电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。 例如，固体内部的热量传递和不同固体通过接触面的热量传递都是 导热现象。芯片向壳体外部传递热量主要就是通过导热。
产 品 与 程 工 仿
31
真
实
验
室
热阻
产
品
与
程 工
仿
真
实
验
室
32
LED自然冷却设计
冷却方法分类
• • • • • • • •
按冷却剂与被冷元件之间的配置关系 直接冷却 间接冷却 按传热机理 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） 强迫冷却（包括强迫风冷和强迫液体冷却等） 蒸发冷却 热电致冷 热管传热 其它冷却方法
产
品
与
程 工
仿
真 实 验 室
冷却方法选择
散热器冷却方式的判据
对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于0.039W/cm2， 可采用自然风冷。 对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于0.024W/cm2， 可采用自然风冷。 通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度大于0.039W/cm2而小 于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。 通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度大于0.024W/cm2而 小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。
冷却方法选择
常用冷却方法对流换热系数及表面热流密度值
产
品 与 程 工 仿 真 实 验 室
冷却方法选择
常用冷却技术单位面积的最大热流功耗
产
品 与 程 工 仿 真 实 验 室
冷却方法选择
LED的散热方法应使LED与被冷却表面或散热器之间有一条低热阻的 传热路径。 利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容易控制。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，在安装密度较高的环境下难以满足要求。 大多数LED产品均可采用自然冷却方法。 强迫空气冷却是一种较好的冷却方法。
对流必然伴随有导热现象。
产
品 与 程 工
22
仿 真 实 验 室
对流
对流分为自然对流和强迫对流两大类。 自然对流是由于流体冷、热各部分的密度不同而引起的。 强迫对流是由于泵、风机或其他压差作用所造成的。
自然对流
23
产
品
与 程 工 仿 真 实 验 室
强迫对流
对流
对流换热系数
对流换热系数的变化范围很大，对于强迫风冷来说，大致在几 十这个数量级，大的可以上百。 沸腾换热及凝结换热也属于对流问题，它们是伴随有相变的对 流换热。
29
产
品
与
程 工
仿
真
实
验 室
热辐射
常用材料表面的法向发射率
高度磨光的金属表面：
ε = 1.2ε n
ε = 0.95ε n
表面粗糙的物体：
具有光滑表面的非金属物体：
ε = 0.98ε n
30
产
品 与 程 工 仿 真 实 验 室
热阻
• 热量传递过程中，温度差是过程的动力，好象电学中的电压，换热量 是被传递的量，好像电学中的电流，因而上式中的分母可以用电学中 的电阻概念来理解成导热过程的阻力，称为热阻（thermal resistance），单位为℃/W。其物理意义就是传递 1W 的热量需要多 少度温差。 • 在热设计中将热阻标记为R或θ。δ/(λA)是导热热阻，1/αA是对流换热 热阻。器件的资料中一般都会提供器件的Rjc和Rja热阻，Rjc是器件 的结到壳的导热热阻；Rja是器件的结到壳导热热阻和壳与外界环境 的对流换热热阻之和。这些热阻参数可以根据实验测试获得，也可以 根据详细的器件内部结构计算得到。根据这些热阻参数和器件的热耗， 就可以计算得到器件的结温。
产
品
与
程 工
仿
真
实 验 室