热分析技术及其在半导体照明中的应用.pptx

热分析技术热分析技术及其在半导体照明中的应用及其在半导体照明中的应用 王劲王劲第一部分：传热学基本知识第一部分：传热学基本知识n n通常条件下，热量的传递包括三种方式：通常条件下，热量的传递包括三种方式：n n1 1：传导：传导 n n指直接接触的物体之间热量由温度高的一方向温度较低的一方指直接接触的物体之间热量由温度高的一方向温度较低的一方的传递的传递n n在地球引力场的作用下，单纯的导热只发生在密实的固体及静在地球引力场的作用下，单纯的导热只发生在密实的固体及静止的流体中。止的流体中。n n在气体中，导热是气体分子不规则运动相互碰撞的结果。在气体中，导热是气体分子不规则运动相互碰撞的结果。n n在金属固体中，靠自由电子的迁移来实现热传导。在金属固体中，靠自由电子的迁移来实现热传导。n n在非金属晶体及液体中，依靠晶格结构振动来传递热量。在非金属晶体及液体中，依靠晶格结构振动来传递热量。n n2：对流 n n借助流体的流动传递热量。n n热对流仅能发生在流体中，热量的传递与流体的流动密切相关。并且，由于流体中存在温度差，故流体中的导热也同时存在。n n3：辐射 n n无需借助任何媒介，是发热体直接向周围空间释放热量。热辐射在真空中最有效。物体的辐射和吸收一般同时在进行。n n黑体的辐射能力最大，因此黑色的散热器比白色的散热器散热能力好。传热过程传热过程n n传热过程是指热量由固体壁一侧的热流体经过固体壁传给传热过程是指热量由固体壁一侧的热流体经过固体壁传给另一侧冷流体的过程。其传热过程的分析可以类似于电阻另一侧冷流体的过程。其传热过程的分析可以类似于电阻的串、并联。的串、并联。n n热路径的简化模型就是串联热阻抗回路，如图显示。结合热路径的简化模型就是串联热阻抗回路，如图显示。结合点生成的热从钢模出发，沿着以下简化的热路径传导：接点生成的热从钢模出发，沿着以下简化的热路径传导：接合点到金属片、金属片到电路板、以及电路板到空气合点到金属片、金属片到电路板、以及电路板到空气/环境。环境。接合点是指半导体钢模内的接合点是指半导体钢模内的p-np-n接合处。接合处。传热学基本知识（传热学基本知识（2）-传热学基本单位传热学基本单位传热学基本单位传热学基本单位n n1 1：热传导系数：热传导系数：热传导系数：热传导系数n n基本单位为基本单位为W/mKW/mK，即截面，即截面积为积为1 1平方米的柱体沿轴向平方米的柱体沿轴向1 1米距离的温差为米距离的温差为1 1开尔文时开尔文时的热传导功率。热传导系数的热传导功率。热传导系数越大，表示材料散热特性越越大，表示材料散热特性越好。好。n n影响物质导热系数的因素很影响物质导热系数的因素很多，主要为物质的种类和温多，主要为物质的种类和温度，以及湿度、密度有关。度，以及湿度、密度有关。n n右表：常用材料的导热系数右表：常用材料的导热系数（2020测量数据）测量数据）纯铝236铸铝160纯铜398黄铜24.889Cu-11Sn黄铜10970Cu-30Zn灰铸铁39.2C%=3%碳钢3645金315银427不锈钢3240传热学基本知识之传热学基本知识之 热阻热阻热阻抗的定义热阻抗的定义:温差与所对应之功温差与所对应之功率消散的比值。率消散的比值。单位为单位为/W/W。选择散热器时，除。选择散热器时，除了机械尺寸的考虑之外，最重了机械尺寸的考虑之外，最重要的参数就是散热器的热阻。要的参数就是散热器的热阻。热阻越小，散热器的散热能力热阻越小，散热器的散热能力越强。越强。n n温差温差 =热阻热阻 功耗功耗传热学基本知识之传热学基本知识之 对流换热系数对流换热系数n n单位：w/k m2 2 表示当流体与壁面之间的温差为表示当流体与壁面之间的温差为1 1度时，度时，1 1平方米的面积上所能传递的热量。平方米的面积上所能传递的热量。n n其大小反映对流换热的强弱。其大小反映对流换热的强弱。n n影响因素：影响因素：n n1 1：与流体的流速有关。：与流体的流速有关。n n2 2：与流体的物理特性有关。：与流体的物理特性有关。n n3 3：与换热壁面的形状、大小。：与换热壁面的形状、大小。n n4 4：与热原的位置有关。：与热原的位置有关。传热的增强和减弱传热的增强和减弱n n各类传热过程所传递的热流量由以下方程式决各类传热过程所传递的热流量由以下方程式决定：定：n n=K.A.t=K.A.tn n1 1：提高热传导系数：提高热传导系数 n n选用热传导系数较高的材料选用热传导系数较高的材料n n 2 2：增大散热面积：增大散热面积 n n有效扩充散热面积，如将光滑的表面砂化、使用弯曲的折面等有效扩充散热面积，如将光滑的表面砂化、使用弯曲的折面等n n 3 3：增大传热温差：增大传热温差 n n降低换热器内流体的温度降低换热器内流体的温度n n对热传导系已固定（即材料已经固定）的情况下，可以通过以对热传导系已固定（即材料已经固定）的情况下，可以通过以下增大表面换热系数的方式来进行冷却：下增大表面换热系数的方式来进行冷却：n n1 1：改变周围流体的流动状态、增强扰动：改变周围流体的流动状态、增强扰动n n以紊流状态替代层流状态，或者将换热壁面做成螺纹状、波纹状，来以紊流状态替代层流状态，或者将换热壁面做成螺纹状、波纹状，来改变附近流体的流动状态。改变附近流体的流动状态。n n2 2：使用添加剂改变流体物性：使用添加剂改变流体物性n n即通过提高容积比热容的方法来改变流体的物理特性即通过提高容积比热容的方法来改变流体的物理特性n n3 3：改变换热面的形状、大小、及表面状况：改变换热面的形状、大小、及表面状况n n如将圆管改为椭圆管、波纹管、螺纹管，或者在金属表面烧结一层很如将圆管改为椭圆管、波纹管、螺纹管，或者在金属表面烧结一层很薄的多孔金属层、挤压不同的小凸起等薄的多孔金属层、挤压不同的小凸起等n n4 4：依靠外力产生激荡增强换热：依靠外力产生激荡增强换热n n用机械的方法或者电的方法，使换热表面流体产生激荡，增强换热系用机械的方法或者电的方法，使换热表面流体产生激荡，增强换热系数。数。第二部分：研究热量传递的重要性第二部分：研究热量传递的重要性n n以设备为例：以设备为例：n n造成电子设备故障的四个主要原因：造成电子设备故障的四个主要原因：n n1 1：温度：温度n n2 2：振动：振动n n3 3：潮湿：潮湿n n4 4：灰尘：灰尘n n其中温度对电子设备的影响高达其中温度对电子设备的影响高达6060。n n温度和设备故障率的关系是成正比的，可以用下式来表示：F=Ae（-E/KT-E/KT）在在LED照明中为什么要进行热工控制？照明中为什么要进行热工控制？n n1 1：结点温度上升时，：结点温度上升时，PNPN结将进入本征导电状结将进入本征导电状态，态，LEDLED器件将无法工作。器件将无法工作。n n导体、绝缘体的电阻率值随温度的影响而变化很小。导体、绝缘体的电阻率值随温度的影响而变化很小。但温度变化时，半导体的电阻率变化却很激烈；每升但温度变化时，半导体的电阻率变化却很激烈；每升高高1 1，它的电阻率下降达百分之几到百分之几十。，它的电阻率下降达百分之几到百分之几十。不仅如此，当温度较高时，整体电阻甚至下降到很小，不仅如此，当温度较高时，整体电阻甚至下降到很小，以致变成和导体一样。以致变成和导体一样。n n2：结点温度上升，使LED的光学参数，如输入的光强、波长等发生变化。n n由于温度变化，由于温度变化，ledled峰值发光波长向长波长方向移动，峰值发光波长向长波长方向移动，例如对于例如对于GaGa0.650.65AlAl0.350.35As As 波长变化为波长变化为0.30.4 nm/0.30.4 nm/，对于，对于GaGa0.970.97AlAl0.030.03As As 波长变化为波长变化为0.20.3 nm/0.20.3 nm/n n在蓝光在蓝光+YAG+YAG发出白光的发出白光的LEDLED中，由于蓝光波长发生中，由于蓝光波长发生变化，与荧光粉的受激波长不匹配，影响白光的发光变化，与荧光粉的受激波长不匹配，影响白光的发光质量和使用寿命。质量和使用寿命。n n3：结点温度上升将使封装树脂与金丝等材料的物理性能发生变化，从而对LED的工作可靠性产生影响。n n1 1：由于节点温度上升，整个：由于节点温度上升，整个LEDLED温度升高，温度升高，产生的热应力有可能会使金线受损。产生的热应力有可能会使金线受损。n n2 2：温度过高，或者温升太快，将使树脂硬化，：温度过高，或者温升太快，将使树脂硬化，对对LEDLED的工作可靠性产生一定影响。的工作可靠性产生一定影响。n n4：结温过高将会引起光衰加剧结温与相对光衰结温与相对光衰成指数关系成指数关系随着温度上升，应减小正向电流。随着温度上升，应减小正向电流。周围温度在周围温度在25c 25c 以下时，正向电流可维持最大以下时，正向电流可维持最大额定值。在额定值。在25 25 以上时，电流应适当减小。以上时，电流应适当减小。影响结温的因素影响结温的因素n n1：驱动电流n n2：从结点到环境热路设计n n3：环境温度n n4：稳定光输出/脉冲光输出n n5：单位表面积LED的数量及功率结温与芯片封装结温与芯片封装n n1：减少热阻。SiC/Al2 2O3 3(蓝宝石)n n2：提高热分布率 采用热传导率高的材料，避免电流 产生的热集中于某一区域。n n3：采用倒装芯片连接界面的考虑连接界面的考虑 -导热胶、银胶以及其他导热胶、银胶以及其他导热胶、银胶以及其他导热胶、银胶以及其他n n界面结合处不平整时，连接面为点接触。热量通过接界面结合处不平整时，连接面为点接触。热量通过接触点传播，传热性能差。同时结合强度不好。触点传播，传热性能差。同时结合强度不好。n n一般使用导热胶来填补空隙。导热胶的使用方法应严一般使用导热胶来填补空隙。导热胶的使用方法应严格遵从规定，即用力将导热胶压在结合面处，切勿多格遵从规定，即用力将导热胶压在结合面处，切勿多用。用。连接界面的考虑连接界面的考虑 1：导热胶导热胶导热胶导热胶n n连接方式 结合界面处使用热导率高的材料连接，增大接触面结合界面处使用热导率高的材料连接，增大接触面连接界面的考虑连接界面的考虑 2：银胶银胶银胶银胶n n铜基热沉与芯片之间常用的连接材料为银胶。银胶具有如下的铜基热沉与芯片之间常用的连接材料为银胶。银胶具有如下的特点：特点：n n1 1：相对其他导热胶，具有相对较高的热传导系数：一般为：相对其他导热胶，具有相对较高的热传导系数：一般为10-10-25W/25W/（m.Km.K）。）。n n2 2：其结构特点决定了其具有较高的热阻：其结构特点决定了其具有较高的热阻：n n银胶固化后的内部基本结构为：环氧树脂骨架银胶固化后的内部基本结构为：环氧树脂骨架+银粉填充式导银粉填充式导热导电结构，这样的结构热阻极高且热导电结构，这样的结构热阻极高且TGTG点较低，对器件的散热点较低，对器件的散热与物理特性稳定极为不利。如果采用银胶作为连接材料，就等与物理特性稳定极为不利。如果采用银胶作为连接材料，就等于人为的在芯片与热沉之间加上了一道热阻。于人为的在芯片与热沉之间加上了一道热阻。n n目前技术解决此问题的做法是：以共晶焊（焊料为锡金属、铅目前技术解决此问题的做法是：以共晶焊（焊料为锡金属、铅锡合金、金铟合金等）作为晶粒与热沉之间的连接材料，可以锡合金、金铟合金等）作为晶粒与热沉之间的连接材料，可以取得较为理想的导热效果（热阻约为取得较为理想的导热效果（热阻约为1010/W/W）,导热效果与物导热效果与物理特性远优于银胶。理特性远优于银胶。COB 热仿真模拟热仿真模拟散热器放置方式对散热性能的影响散热器放置方式对散热性能的影响散热器的不同放置方式对其散热性能有较大的影响。散热器的不同放置方式对其散热性能有较大的影响。散热器的不同放置方式对其散热性能有较大的影响。散热器的不同放置方式对其散热性能有较大的影响。1：散热器面水平向下放置温度影响区相同条件下，发热体最高温度96度2：散热器面水平向下放置：散热器面水平向下放置温度影响区相同情况下发热体最高温度96度3：散热器面竖直放置：散热器面竖直放置相同情况下发热体最高温度85度可见，散热器的放置方式对其散热能力有较大的影响。一般要求散热器的散热翅片竖直放置，这样更有利于热量散失。使用使用LED 常见的问题常见的问题n n原则上，使用原则上，使用Luxeon Luxeon 高功率光源的产品需要安装降高功率光源的产品需要安装降温装置，才能在所有操作条件下获得适当的热量管理。温装置，才能在所有操作条件下获得适当的热量管理。根据应用的不同，此降温装置可以简单至一个铝质平根据应用的不同，此降温装置可以简单至一个铝质平板即可。板即可。n n n n在没有热降温装置时，这些产品在在没有热降温装置时，这些产品在 25C 25C 下操作。下操作。但是温升比较高但是温升比较高(约约70C)70C)。须加以防范。须加以防范。n nLuxeon star Luxeon star n n在没有任何散热装置的情况下，点亮的时间不应超过在没有任何散热装置的情况下，点亮的时间不应超过2 2秒。在点亮的秒。在点亮的2 2秒秒钟以内，应该安装热降温装置。在钟以内，应该安装热降温装置。在25C 25C 下操作时，面积为下操作时，面积为9 9 平方厘米平方厘米（30mm x 30mm x 2mm 30mm x 30mm x 2mm 厚）的铝质平板就够用了。铝板背面最高温度厚）的铝质平板就够用了。铝板背面最高温度5555度。度。LED常见的失效：常见的失效：n n1 1：热失效（：热失效（与热有关）与热有关）由于热膨胀系数不一致产生。由于热膨胀系数不一致产生。n n2 2：键合线失效。：键合线失效。n n3 3：分层。：分层。芯片与荧光层、密封树脂间分层。芯片与荧光层、密封树脂间分层。n n4 4：透光树脂发黄。：透光树脂发黄。（与热有关）与热有关）n n5 5：荧光粉失效。：荧光粉失效。（与热有关）与热有关）n n6 6：内部焊接部位脱落。：内部焊接部位脱落。热流设计热流设计n n优秀的热流设计根据以下三个因素并入了TJ J 极限：n n1.TJ J 升高时的光输出n n2.TJ J 升高时的色彩偏移n n3.可靠性1：温度升高时的光输出：温度升高时的光输出n n随着随着T TJ J 的增大，的增大，LED LED 会发生可逆的光输出损耗。接合点温度保会发生可逆的光输出损耗。接合点温度保持得愈低，产品的照明效率愈好，亦即越佳的光输出。与其它持得愈低，产品的照明效率愈好，亦即越佳的光输出。与其它颜色的发光体相比，红色、橙红色和琥珀色的发光体（根据磷颜色的发光体相比，红色、橙红色和琥珀色的发光体（根据磷化铝铟镓化铝铟镓LED LED 技术）的光输出对结合点温度的升高更加敏感。技术）的光输出对结合点温度的升高更加敏感。n n与温度升高有相关联的光输出损耗的范例可在交通号志灯上看与温度升高有相关联的光输出损耗的范例可在交通号志灯上看到。只是简单地用到。只是简单地用LED LED 光源翻修的号志灯可能无法充分说明热光源翻修的号志灯可能无法充分说明热消散的原因。白天里温度升高，号志灯可能变暗。重新设计号消散的原因。白天里温度升高，号志灯可能变暗。重新设计号志灯装置以提供空气流来冷却组件，这样就可以改善此状况。志灯装置以提供空气流来冷却组件，这样就可以改善此状况。2：温度升高时的色彩偏移：温度升高时的色彩偏移n n温度升高，发光波长向长波长侧移动，导致在对色彩要求比较高的场合下色彩出现偏差。3.基于可靠性的温度额定值基于可靠性的温度额定值n n为确保LED 高功率光源操作的可靠性，请遵照规格表提供的LED 最大绝对热额定值。最大TJ J 值是根据围绕钢模的硅封装的可承受的热应力而定。散热器的散热原理（一）散热器的散热原理（一）n n1：热量的传递与流体的流动相类似。选择散热器时，应尽量使热量快速散发，不应有阻碍。应尽量避免直弯角。热量流入热量流出散热器的散热原理（二）散热器的散热原理（二）n n2 2：流入的热流与流出的热流量应该相等，此：流入的热流与流出的热流量应该相等，此时达到热平衡。时达到热平衡。n n一般热流密度在流入时较大，此时发热位置温度较高。一般热流密度在流入时较大，此时发热位置温度较高。为了将此热流密度尽快分布到散热器上，从而使热流为了将此热流密度尽快分布到散热器上，从而使热流密度在各级传导时尽快分散，应注意以下几点：密度在各级传导时尽快分散，应注意以下几点：n n1 1：发热位置处应有较大的面积。：发热位置处应有较大的面积。n n2 2：选用高热传导系数材料。：选用高热传导系数材料。n n3 3：热流传递方向上应为实体。：热流传递方向上应为实体。目前散热器在使用中出现的问题目前散热器在使用中出现的问题n n1 1：热流不连续：热流不连续 热沉形状对结温的影响散热器与芯片的温度关系散热器与芯片的温度关系n n1 1：不能单纯以散热器的温度来决定导热胶的好坏。：不能单纯以散热器的温度来决定导热胶的好坏。也就是说，散热器的温度与导热胶没有直接的关系。也就是说，散热器的温度与导热胶没有直接的关系。散热器的温度与热源的功率、空气的换热系数、散热散热器的温度与热源的功率、空气的换热系数、散热器的形状等都有直接的关系。器的形状等都有直接的关系。n n2 2：相同的散热条件（热源功率、空气的换热系数、：相同的散热条件（热源功率、空气的换热系数、散热器的形状都相同）下，应该看该导热胶上下两面散热器的形状都相同）下，应该看该导热胶上下两面的温度差。如果温度差越小，表示导热胶比较好。这的温度差。如果温度差越小，表示导热胶比较好。这应该是衡量导热胶的主要因素。应该是衡量导热胶的主要因素。n n3 3：如果导热胶的上下两面温差较小，就应该考虑散：如果导热胶的上下两面温差较小，就应该考虑散热器的结构设计。现在我们已经知道，结构设计的目热器的结构设计。现在我们已经知道，结构设计的目的不仅仅是为了满足强度等因素，还应该考虑到其使的不仅仅是为了满足强度等因素，还应该考虑到其使用性。用性。n n软件模拟假设如下的条件：软件模拟假设如下的条件：n n1 1：发热功率：发热功率20W20W。n n2 2：环境温度：环境温度1010。n n3 3：与空气对流表明换热系数为：与空气对流表明换热系数为10 W/10 W/m2 m2。n n4 4：中间导热胶热传导系数分别为：中间导热胶热传导系数分别为1010、3030、5050、6060、8080，单位，单位为为W/W/m m。导热系数10导热系数30导热系数导热系数50导热系数导热系数60导热系数导热系数80n n从图中可见，随着导热胶的热传导系数升高，散热片从图中可见，随着导热胶的热传导系数升高，散热片的温度也相应升高，但是芯片的温度却逐渐降低，导的温度也相应升高，但是芯片的温度却逐渐降低，导热胶上下两层的温差在减小。对应温度作如下的图表，热胶上下两层的温差在减小。对应温度作如下的图表，该图表很直观的反应了随着导热胶的导热系数升高，该图表很直观的反应了随着导热胶的导热系数升高，相应的温度变化情况。图表如下：相应的温度变化情况。图表如下：n n热成像分析与温度模拟（二维光源）热成像分析与温度模拟（二维光源）n n热模拟分析与实际测试的温度分布相差一般可以在5%10%以内。n n利用热分析技术，可以显著的降低设计成本，并最大限度地保证产品的可靠性。n谢谢!