1.2 LED热设计作用及热管理目的

1.2.1 LED热设计作用

1. 热设计作用及目的

热设计被称为“古老的新技术”，意思是说其基础传热工学和流体力学早已确立，而其应用技术热设计会因电子设备的不同而变化。设计的方法和设计人员的作用也须随电子设备的变化而变化。热设计有三个作用：保证功能和性能、保证寿命、保证安全性。在过去的热设计中，保证寿命占的比重较大，能够影响保证功能、性能和安全性的问题极为罕见。

热设计的目的是采用适当可靠的方法控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证产品正常运行的安全性、长期运行的可靠性。通过控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度。最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础，并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。

如今热设计成了决定保证功能及性能的主要因素，热设计应考虑的因素包括结构与尺寸、功耗、产品的经济性、与所要求的元器件的失效率相应的温度极限、电路布局、工作环境。热设计应遵循的原则如下。

① 热设计应与电气设计、结构设计同时进行，使热设计、结构设计、电气设计相互兼顾。当出现矛盾时，应进行权衡分析，折中解决；热设计不能盲目加大散热余量，应尽量使用自然对流或低转速风扇等可靠性高的冷却方式。使用风扇冷却时，要保证噪声指标符合标准要求。

② 热设计应遵循相应的国际标准、国内标准、行业标准。

③ 热设计应满足产品的可靠性要求，以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中长期正常工作。

④ 每个元器件的参数选择及安装位置及方式必须符合散热要求。

⑤ 在规定的使用期限内，冷却系统（如风扇等）的故障率应比元件的故障率低。

⑥ 在进行热设计时，应考虑相应的设计余量，以避免使用过程中因工况发生变化而引起的热耗散及热阻的增加。

⑦ 热设计应考虑产品的经济性指标，在保证散热的前提下使其结构简单、可靠且体积最小、成本最低。所有的冷却系统应是最简单又最经济的，并适合于特定的电气和机械、环境条件，同时满足可靠性要求；冷却系统要便于监控与维护。

2. 热设计功耗（TDP）与功耗（P）的区别

TDP的英文全称是“Thermal Design Power”，中文翻译为“热设计功耗”，是反映热量释放的指标，它的含义是当器件达到负荷最大的时候，释放出的热量，单位为瓦（W）。

热功耗（TDP）并不是真正功耗（P），功耗（功率）是热设计重要物理参数，根据电路的基本原理，功率P=电流I×电压V。功耗（功率）等于流经器件核心的电流值与电压值的乘积。TDP是指电流热效应以及其他形式产生的热能，它们均以热的形式释放。显然，热功耗（TDP）远远小于功耗（P）。换句话说，功耗（P）是对LED电压和电流提出的要求，而TDP是对散热系统提出要求，要求散热系统能够把LED发出的热量散发掉，也就是说，TDP功耗是要求LED的散热系统必须能够驱散的最大总热量。两者的公式是不同的。

功耗：

热功耗：

式中：Tj为热源温度，芯片结温；Ta为环境温度；P C为热源功率、芯片热功耗；R Tj为芯片到外壳的热阻；RTc为芯片外壳与散热器的接触热阻；RTf为散热器热阻；RTz为总热阻，RTz=RTj+RTc+RTf。

3. 增强散热方式

下面给出的具体散热增强方式，是根据基本传热方程来增加散热量的。

① 增加有效散热面积。例如，在芯片表面安装散热器；将热量通过引线或导热绝缘材料导到PCB中，利用周围PCB的表面散热。

② 增加流过器件表面的风速，可以增加换热系数。

③ 破坏层流边界层，增加扰动。紊流的换热强度是层流的数倍，抽风时，风道横截面上速度分布比较均匀，风速较低，一般为层流状态，换热壁面上的不规则凸起可以破坏层流状态，加强换热。针状散热器和翅片散热器的换热面积一样，而换热量却可以增加30%，就是这个原因。吹风时，风扇出口风速分布不均，有主要流动方向，局部风速较高，一般为紊流状态，局部换热强烈，但要注意回流低速区换热较差。

④ 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。

⑤ 设法减小散热热阻。在封闭狭小空间内的单板器件主要通过空气的受限自然对流和导热、辐射散热，由于空气的导热系数很小，所以热阻很大。如果将器件表面和金属壳内侧通过导热绝缘垫接触，则热阻将大大降低，减小温升。

4. 热设计的一般流程

所谓热设计就是把设备输入的热量降至最低，并提高散热效果，把设备内部有害的热量排出到电子设备的外部环境中，获得合适的工作温度使其不超过可靠性规定的限值，确保设备可靠、安全地工作。电子设备的热设计可分为3个层次。

① 对电子设备机箱、机框及方腔等系统级别的热设计，即系统级（SYSTEMS）的热设计。

② 对于电子模块、散热器、PCB级别的热设计，即封装级（PACKAGES）的热设计。

③ 对于元器件级别的热设计，即组件级（COMPONENTS）的热设计。

系统级的热设计主要研究电子设备所处环境的温度对其影响。环境温度是电路板级热分析的重要边界条件，其热设计是采取措施控制环境温度，使电子设备在适宜的温度环境下进行工作。

系统级制造商所面对的最大问题是研发一种散热效率高的灯座，LED装置可以方便地插入这一灯座，而热量可以迅速地导入环境中。每一种LED的设计考虑都是不同的，并且需要清楚地了解LED所受的尺寸限制和性能。LED系统设计的本质是有效地将热量从LED散热片、金属块或引脚传递到周围环境中。在金属块和印制电路板垫片间必须进行可靠和有效的连接。通常，热量通过PCB上的热过孔到达另一层的铜块上。之后，热量通过导热的方式进入到外壳或外部散热器中。

当一个外壳内需要散发大量的热时，需要一个外部散热器。LED散热器常用的材料是铝或铜。由于散热器和空气之间的对流换热热阻影响很大，所以有必要对散热器的几何外形进行优化。散热器的性能取决于材料、翅片数、翅片厚和基座厚等参数。外部散热器扩展了换热表面，便于热量进入到空气中。优化设计必须考虑散热器周围的空气流动情况，而这一区域的空气流动又受到散热器的影响，所以对设计产生了不小的挑战。

铜具有很高的热导率，但相同体积下铝的重量更轻，同时价格也更便宜。在一些PCB中通过使用一些基板来提升传热能力，这些基板使用陶瓷或者覆有铁、铝或其他材料。

LED应用中最大的难题是，要求用一密封的外壳来保护LED。解决这一难题可以使用高导热率的外壳材料。当然，也采用一些复杂的方法。例如，空对空（air-to-air）热交换设计使用内部风扇将热量传递给内部翅片；之后，热量由内部翅片通过导热方式进入到外壳中；最后，通过外部风扇对连接在外壳上的外部翅片进行冷却。热量通过对流-导热-对流三个步骤进入到空气中。

很明显，在设计一个LED系统时需要考虑许多设计变量，所以在热设计过程中需对设计变量进行优化。DOE关于热管理的Fact Sheet中明确注明：过热会影响LED短期和长期的性能。短期的影响是产生偏色和减少光输出。减小偏色对于LCDTV等紧急应用中的背光很重要，在这些应用场合日益增加的LED功率密度促使图像颜色发生偏差，这就使散热更具挑战性。急剧升高的结温会严重影响LED的使用寿命和可靠性。优化热设计对产品的成本也有很大影响。例如，热设计可能要确定是否需要使用一个散热器，这就会增加产品的成本。

电子设备进行封装级的热设计在国外发展较为成熟，出现了电子器件封装（Electronic Packaging）专业。电子设备封装级的电子模板和PCB热设计是与设备的电路设计、结构设计密切相关同步进行的。对于PCB基材进行适当的选择是电子设备封装级热设计的重要内容，覆铜箔层压板的种类、特性是印制电路板设计和制造工艺人员所关心的项目，除了一般要求的强度、绝缘、介质系数等外，对覆铜板的热性能有特殊要求。覆铜板的热性能有2个方面的内容：

① 覆铜板的耐温特性。环氧玻璃布覆铜箔层压板具有优良的电性能和化学稳定性，工作温度为-230～260℃。聚酰亚胺覆铜箔层压板，除上述优良性能外，还具有介电系数小，信号传输延迟小的特点。

② 覆铜板的导热性能。选用耐高温、导热系数高的材料来作为印制电路板的材料。金属芯印制电路板具有相对优良的热性能。在相同的条件下，环氧玻璃布层压板图形导线温度升高可达40℃，而金属芯印制电路板图形导线温度升高不到20℃，因而金属芯印制电路板在电子设备中得到了广泛的应用。

电子设备的各个部件是由各种不同材料的元器件（如硅芯片、氧化硅绝缘膜、铝互连线、金属引线框架和塑料封装外壳等）组成的。这些材料的热膨胀系数各不相同，一旦遇到温度变化，就会在不同材料的交界面上产生压缩或拉伸应力，因此产生了热不匹配应力，简称热应力。材料热性质不匹配是产生热应力的内因，而温度变化是产生热应力的外因。