LED热设计及仿真应用
LED热设计及仿真应用
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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。
双极性数字电路降额准则 降额参数 频率 输出电流 最高结温℃ 降额等级 Ⅰ 0.80 0.80 85 Ⅱ 0.90 0.90 100 Ⅲ 0.90 0.90 115
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热设计基本要求
热设计应满足设备预期工作的热环境的要求
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热设计应考虑的问题
应考虑太阳辐射给电子设备带来的热问题，应有相应的防护措施 应具有防止诸如燃料油微粒、灰尘、纤维微粒等沉积物和其它老化的 措施，以免增大设备的有效热阻，降低冷却效果 应尽量防止由于工作周期、功率变化、热环境变化以及冷却剂温度变 化引起的热瞬变，使器件的温度波动减小到最低程度 应选择无毒性的冷却剂；直接液体冷却系统的冷却剂应与元器件及相 接触的表面相容，不产生腐蚀和其它化学反应
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。
对流必然伴随有导热现象。
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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
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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。
电子产品热设计及热仿真技术的应用分析
电子产品热设计及热仿真技术的应用分析摘要：随着装备性能的不断提升，复杂程度的不断提高，以及使用环境的日趋复杂，电子产品对可靠性的要求日益提高，可靠性已成为衡量电子产品使用性能的一项重要指标。
因散热不良引发的故障一直在电子产品故障发生中占有很大的比重，电子产品一旦出现热设计缺陷，往往在设计周期和设计成本等多方面造成极大的损失。
因此需要在产品设计源头加以控制，即在设计之初考虑产品的功能和性能的同时，考虑其散热等因素。
综合电子产品的性能设计和热设计，选择采用什么散热方式、使用何种散热材料等，其目的是高效率、低成本、高可靠地制造产品。
基于此，本文对电子产品热设计及热仿真技术的应用进行分析，为产品全生命周期设计提供验证支撑，达到合理可靠稳定运行的目的。
关键词：电子产品热设计；热仿真技术；应用分析引言电子产品是基于电子信息技术发展背景下的重要产物，电子信息技术是20世纪初诞生的一种新兴的技术，随着时代的发展与生产技术的不断革新，电子信息技术得到了进一步发展。
进入21世纪之后，电子信息技术已成为科学技术领域的重要标志之一，在各个行业及领域均具有非常广泛的应用。
伴随着大量电子产品的问世，不仅改变了人们传统的生活方式，也为人们的生产与生活带来了巨大的便利。
随着社会信息化的不断发展，电子产品多功能集成和便携的需求日益凸显，电子产品的集成化和小型化就成了目前电子产品的发展趋势，电子产品的集成化意味着功率会大概率的增大，与小型化的发展综合在一起意味着电子产品的单位体积功率密度会不断增大，因此电子产品的热设计就需要从粗放的经验设计向精确化的热理论设计发展。
热仿真就是支持电子产品精确化理论设计最佳手段。
通过热仿真将电子产品在性能设计的基础上叠加热设计，达到电子产品在最优热环境里发挥最佳性能的目的。
1电子产品热设计的意义1.1电子产品进行热设计的优势有效散热对于电子产品的稳定运行和长期可靠性而言至关重要，将电子产品热功能部件的工作温度控制在其有效工作的温度范围内，是提升电子产品可靠性的基本思路。
灯具热设计及仿真模拟
散热设计
大功率LED照明光源需要解决的散热问题涉及 以下几个环节：
– – –
p-Electrode p-Current Spreading Layer p-Cladding Layer Active Layer n-Cladding Layer n-DBR Structure
晶片PN结到外延层 结到外延层； 外延层到封装基板； 封装基板到外部冷却装置再到空气。
上述公式说明，对于一个给定的Q，h和Tf, 表面积越大， 表面温度越低
现两个连接面处被空气间隙隔开 而成为点对点接触 据估计整个
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2011/4/21
散热器效率
散热器选择 通常Rja随着下列因素提高而降低 – 散热器的尺寸 – 散热器周围空气流速 对于一个给定的气流和散热器尺寸，Rja随着fin数目增 加而降低，直到达到一个优化的fin的数目 – 超过这个数字，Rja随着fin的数目增加而增加 – 这是由于压降随着fin数目的增加而增加，因此降低了 对于给定的散热器，Rja随着气流速度提高而降低 – 到了一定程度，Rja降低量可以忽略不计 – 原因是边界层已完全形成
热管技术
LED电路仿真设计-Saber篇
学习曲线陡峭
Saber软件功能强大但操作复杂， 需要设计师具备一定的专业知识 和技能。
资源占用较大
Saber软件的仿真过程需要占用较 大的计算资源，对于小型项目可 能存在一定的性能挑战。
成本较高
Saber软件是一款商业软件，购买 和维护成本较高，可能不适合小 型项目或个人用户。
THANKS
感谢观看
仿真精度设置
用户可以根据需要设置仿真的精度， 如采样点数、仿真步长等。
Saber软件的仿真结果分析
波形分析
参数优化
通过Saber软件的波形分析功能，用户可以 观察LED电路的输入输出波形，了解电路的 工作状态和性能表现。
根据仿真结果，用户可以对元件参数进行 优化，以提高LED电路的性能指标。
可靠性分析
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LED电路仿真设计的挑战与展望
LED电路仿真设计的挑战
高精度模拟需求
LED电路的特性要求高精度模拟，以准确预测其性能和行为。
复杂的光学效应
LED的光学效应（如散射、反射和干涉）增加了电路仿真的复杂性。
材料特性的多样性
不同LED材料的电气和光学特性差异大，增加了仿真的难度。
热效应的考量
LED在工作时会产生热量，热效应对LED性能有显著影响，需要纳入仿真设计。
总结词
LED照明电路仿真设计能够预测实际照明 效果，优化照明质量和能效，降低设计 和制作成本。
VS
详细描述
LED照明电路的设计需要考虑照明的均匀 性、颜色和亮度等参数。通过仿真设计， 可以预测不同电路参数下的照明效果，从 而优化电路设计，提高照明质量和能效。 此外，仿真设计还可以帮助设计师快速评 估不同方案的成本和性能，为实际制作提 供可靠的依据。
灯具LED热设计及仿真模拟
5．热传播方式
热传导
–传导是发生在两种直接接触的介质（固体，液体，气体)
–ﻩ传导过程中,能量通过以下方式传递
自由电子运动
点阵振动
6.热阻
–ﻩ热量在热流路径上遇到的 阻力，反映介质或介质间 的传热能力的大小，表明了１W热量所引起的温升大小,单位为℃/Ｗ或K/W。 用热耗乘以热阻,即可获 得该传热路径上的温升。
１5.热设计
对产品的温度场作出预测,使我们在进行产品设计开发时关注热点区域。进行各种设计方案的优劣分析，得出最佳的设计方案。
对设计者经
验的依赖度
设计周期
热设计一次
成功率
热设计方案 的优化程度
效率
传统热设计
方法
完全
短
低
低，裕量
大
低
仿真分析方
法
强
长
高
高，裕量
适中
高
电子设备热设计软件是基于计算传热学技术（ＮＴS）和计算流体力学技术(CFD）发展电子设备散热设计辅助分析软件。
目前商业的热设计软件种类繁多，有基于有限体积法的Floｔｈeｒm、Ｉ-ｄeas、Ice-paｃｋ、Ｔaｓ-Harｖard ｔｈermal、Coｏl ｉt、Bｅtasoft,及基 于有限元的Ａnsys等，其中Floｔhｅrｍ、I-deaｓ、 Ice-ｐacｋ占据大部分的市场份额。
16.ANSYS软件介绍
一般FR4，热导系数0.36
金属氧化作为绝缘层,热导系数2０k/mk
陶瓷基板
–热膨胀系数与Chip匹配
–ﻩ导热系数>8０
–ﻩ价格高,无法应用于大面积基板
LED器件热管理分析方法及其应用
LED器件热管理分析方法及其应用摘要：随着LED的快速发展，散热已成为LED行业发展的技术瓶颈。
由于非辐射复合、电流过载等原因，LED芯片会产生大量的热，因此，分析LED器件的热管理具有重要意义。
关键词：LED；热管理；散热LED的失效原因大多与热量有关，而有效散发LED芯片产生的热量是该领域的重要问题之一。
LED器件的热管理分析与设计，是解决LED器件散热问题的有效手段及必要措施。
基于此，本文详细分析了LED器件的热管理分析方法。
一、LED热源LED发光机理是靠电子在能带间跃迁产生光，其光谱中不含红外成分，因此，产生的热量不能靠辐射发出，故LED是冷光源。
LED的基本结构是一个半导体PN 结，当电流通过PN结时，所加入的电能并未全部转化为光能，大部分以热能的形式留在PN结上，使PN结温度上升，称之为结温。
对于LED的热管理，主要分为热量的导出和热量的散发两部分，即导热和散热。
二、LED器件热阻网络系统)。
由于接触面粗糙程度、空隙等微观因素存在，任1、热界面材料热阻(R界变大，严重影响意2个固体界面在实际工程中接触时必然存在缝隙，从而使R界，一般引入热界面材料(TIM)填充界面空隙，以了传热性能。
为了大幅度减小R界此改善LED散热问题。
2、热扩散阻值Rs。
因LED芯片的尺寸是mm，LED芯片模块的尺寸是cm。
由于尺寸差异，在传导中形成了热扩散热阻Rs。
当芯片和基板面积相同时，热扩散一般均匀扩散；当芯片小于基板面积时，热扩散可能不均匀，存在集中热源现象。
随着微电子系统和LED封装变得越来越紧凑，如何减少热扩散阻值Rs在热管理中是较重要的问题。
在高热流应用中，热扩散阻值Rs占总热阻的60～70％。
当Rs很大时，热量不会均匀分布在整个平板上，而是形成集中的热源。
调节热扩散热阻最有效的方法是增加热源大小与散热比例，通常采用功率较低的LED组成阵列，以此减少热扩散热阻Rs。
)。
LED芯片产生的热量经散热装置传递到环境中，3、元件到环境热阻(R环境该过程中的热阻称为元件到环境热阻，其大小取决于不同的散热设计，不同器件结构间差异较大。
照明用大功率LED阵列散热设计与仿真分析-北京航空航天大学大学毕业设计
单位代码10006学号34140113分类号N94密级毕业设计照明用大功率LED阵列散热设计与仿真分析院（系）名称工程系统工程系专业名称飞行器设计（可靠性）学生姓名王传亮指导教师高成2008年6月北京航空航天大学本科生毕业设计（论文）任务书Ⅰ、毕业设计（论文）题目：照明用大功率LED阵列散热设计与仿真分析Ⅱ、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：原始资料包括：ICEPAK4.1使用说明；LED照明阵列。
设计技术要求：在研究大功率LED封装的热特性的基础上，设计LED照明阵列的散热器，对LED照明阵列建立等效热阻网络模型，软件仿真和试验验证来说明散热器能够满足LED照明阵列的散热要求。
Ⅲ、毕业设计（论文）工作内容：1）LED封装的热特性研究；2）建立LED照明灯具散热系统等效热阻网络模型；3）LED照明阵列的软件仿真分析；4）试验验证Ⅳ、主要参考资料：《传热学》.高等教育出版社.2004年5月.杨世铭，陶文铨编著．《电子制造技术基础》.机械工业出版社.2005年5月.吴懿平，丁汉编著．工程系统工程系学院（系）飞行器设计（可靠性）专业类341401 班学生王传亮毕业设计（论文）时间：2008 年 2 月18日至2008 年 6 月14 日答辩时间：2008 年 6 月18 日成绩：指导教师：兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分）：系（教研室）主任（签字）：注：任务书应该附在已完成的毕业设计（论文）的首页。
学位论文的声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。
尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得北京航空航天大学或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。
若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。
作者：王传亮签字：时间：2008年6月照明用大功率LED阵列散热设计与仿真分析学生：王传亮指导教师：高成摘要白光LED灯具具有寿命长、耗电小、发光效率高等优点，是被寄予厚望的半导体光源，在光效、寿命以及环保等方面具有以往光源所无法比拟的优势。
LED照明产品热仿真技术
LED照明产品热仿真技术散热设计是LED照明产品开发的关键技术之一。
热仿真是电子产品散热设计的一项主要内容，广泛用于预测许多电子产品散热方案可行性、优化电子产品的散热设计以及为需要进行热测试的电子产品确定最有效的测试方案等。
准确快速的热仿真可以缩短产品开发周期、降低开发成本。
本文系统论述了LED照明产品热仿真的基本原理和方法，并给出了热仿真的典型案例，对于LED照明产品热仿真具有重要的参考意义。
一、LED照明产品热仿真概述1、数值计算方法热仿真是一种利用数值计算对流动与传热问题进行求解的方法，是与试验（测试）和理论分析相并列的第三种分析方法。
数值计算就是把计算域内有限数量位置（网格节点）上的因变量值当作基本的未知量，并根据需要求解的控制方程（微分方程）提供一组关于这些未知量的代数方程，以及求解这组方程的算法，从而在每一个网格节点上直接求解控制方程的方法。
电子产品热仿真需要求解的控制方程主要包括质量守恒方程（连续性方程）、动量方程（运动微分方程）、能量方程以及求解湍流N-S方程所需要的补充方程等。
2、热仿真软件理论上所有的CFD（ComputationalFluidDynamics：流体动力学）软件都可以作为电子产品热仿真的软件。
CFD软件大体可以分为通用CFD软件、工程化的CFD软件和电子散热专用热仿真软件三类。
一般情况下，通用CFD软件(如FLUENT等)对用户的专业知识背景要求较高，并且软件操作较复杂。
电子散热专用软件是专门针对电子产品散热设计开发的热仿真软件，对用户CFD专业知识背景要求较低，操作也较简单，并且提供了大量的电子散热常用组件，这类软件主要包括Flotherm和Icepak等。
工程化的CFD软件性能介于通用CFD软件与电子散热专用软件之间，其采用工程化的操作界面，操作较简单，计算能力较强。
如CFdesign和FloEFD都能够方便地导入CAD模型，并且还增加了部分常用的电子散热组件。
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程 工
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真
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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℃
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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
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Ⅰ 0.80 0.80 85
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实
验
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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。
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实 验 室
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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
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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
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导热系数对温度的依变关系
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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。
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与
程 工
仿
真
实 验 室
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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
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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
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与
程 工
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对流
External Flow 外流
产 品 与 程 工
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仿 真 实
Internal Flow 内流
验
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对流
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层流
湍流
与
程 工
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实
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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。
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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
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品
与
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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。
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与
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仿
真 实 验 室
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热设计流程
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与
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实
验
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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。
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品 与 程 工 仿 真 实 验 室
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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
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真
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热阻
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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
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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
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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
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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。
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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
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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。
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真
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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
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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。
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