散热设计的一些误区和热传递理论

1、散热设计的一些误区和热传递理论2010-12-08 11:47  分类：原创文学 散热设计的一些误区和热传递理论作者：唐俊文（研发总监） 时间2010-11-17 支持原创，转载请声明 在此我先呼吁中国的灯具工程师们：请不要再伤我的心了！LED照明没你们说的那么简单，请别再说LED没技术含量了，LED不是点亮就算照明的！对热传递、热阻、积热我坚持我的理论，如果还有不明白的工程师，也可留言，我会一一解答。要知道LED不是给电点亮就行，它可不是传统照明。（关于LED照明和传统照明的区别，我在博客中也曾说到过，有兴趣的话可以前往顶帖。）    

2、60; 在一灯QQ群里面，我也发现了很多工程师的技能还是不够全面，看待LED不够透彻，对于热传递、热阻、积热都不怎么明白，只会抄袭、剽窃别人的技术成果，对于过程、途径一无所知，甚至连结果都无法保证。前不久中山的灯博会某公司推出的隧道灯，一种新应用完全解决了眩光问题，其解决方案是将所有的灯具光向前打让司机们看不到发光体，这样眩光就解决了。后来这种应用被其它公司抄袭，他们将灯具的一边用遮光板挡住，这样也能解决眩光问题。我就纳闷了，抄袭就是抄袭，意义不大，更没有什么技术含量。这样做，只会影响光形，配光曲线不可能是对称蝠翼形的，而且容易产生黑区。如果这个也能在灯博会上受关注和表彰的话，那么在此我提出避

3、孕套的新用法-反复使用、洗洗再用、翻一面继续用，我的口号是：节约成本、节约资源、环保。这样是不是该发一个诺贝尔发明奖给我呢？虽然这个比喻很不恰当，但总能表达一些设计者、追捧者的一些误区，看待事情不能表面化，要深入研究，要切合实际去考量。      今天与一个网名前缀叫DK的工程师聊灯具散热的问题，其中我提到：“其实我总结:“散热无非就考虑热传递和热阻”可是我的观点遭到了众多散热工程师们的炮轰，争辩得那是相当激烈，尤其是DK，更是不赞同，直接判定我对散热没研究。他坚持热传导这个词，反驳我的热传递理论，其实热传递和热传导就是途径和过程的区别。（以下会解释到热

4、传递和热传导到底该怎么去理解）      一个灯具结构工程师在设计散热结构时，单单考虑过程是不够的。我说过，做技术的、做开发的都应该具备两种思维。第一种就是跳跃性思维，第二种是系统性思维。其中系统的意思比较广泛，总的来讲可定义为“全面、深入”的意思。跳跃性思维可以避免工程师们陷入技术误区不能自拔，不具备跳跃性思维的工程师们习惯用技术手段解决技术问题，但是不知道这样做最容易陷入技术死角不能跳转。具备跳跃性思维的人一般不按常规出牌，通常惯用的手法是用非技术手段去解决技术问题。非技术手段虽然其核心思维方式和方法不是技术的内容，但它利用的是 “事物是普

5、遍联系” 的哲学观点。当我们遇到实在超出个人学识能力的事情，又需要作出判断的时候，事物间的普遍联系能呈现出有助于推理的信息，细细分析呈现出技术内涵的脉络，这个脉络的内容虽然我们不清楚，但它的表现形式和结果绝对是很有用的，所以说，非技术手段其实关注的是结果，技术手段关注的是过程。而具备系统性思维的人能避免工程师们陷入“一叶障目，不见泰山”的状况。做结构的只管结构，做电子的只管电子，盯着自己的那一亩三分地出成果，疯狂吹嘘各自的技术领域特点。在系统整合方面谁也不让步，导致最终的结果是产品缺陷、漏洞百出！要知道，系统性思维不是单一的技术领域就能搞定一个产品，而是深入去研究各个环节和各个细节。很多人有了

6、初步的认识就是认为：一个灯具产品主要考虑散热，再深入一点就说要配光，继续做又发现还要考虑驱动难道我们做技术的就不能再深入一点？做LED照明的工程师们考虑的仅仅如此吗？剩下的事情该是自己考虑的还是专业的系统工程师们考虑？如果仅仅如此，那么工程师们的技能永远不能全面化，都是片面型的，何来提高？何谈技术开发？何谈产品设计？设计结构的，外形设计好了，散热没问题了，加工工艺也考虑到了，深入一点的连维护问题也考虑好了，唯一没考虑的是如何与电子驱动的配合，即使是考虑到与电子的配合，但也是片面性的。做电子驱动的考虑的是元件发热和耐热和驱动的安全性，做结构的考虑的是利用结构散热，设计上有几个考虑到设计的余地是多

7、少？余地范围多少才算合适？驱动在发热体内部使用 如何散热？安全、寿命怎能得到保障？驱动在常温下升温情况没问题，但是在发热源内部呢？在高温高湿环境下呢？在狭小密封的金属体内部呢？会不会产生天线效应呢？结构在盐雾酸碱环境下会不会被腐蚀呢？腐蚀的程度和周期有没有研究呢？在UV辐射下呢？在抗震、抗风、抗冲击下呢？在雷暴、磁变、瞬态冲击下呢？在EMIEMC方面呢？等等 这些问题工程师们设计时考虑了哪些？一个完美的驱动在高温老化时没问题，但在灯具内部又出现了问题。电子工程师说是生产工艺问题，生产又说是设计问题，设计者又说是结构问题那么到底是什么问题？谁能说的清楚？谁说的又是正确的？其实所有的问题都可以归纳

8、为人为因素。研发部的系统工程师就是干这个的，他最具备系统性思维，在技术工作方面不能片面化，在产品设计方面必须得具备系统性思维-全面考虑、深入了解、认真分析才能做好产品。（关于系统工程师请参考我的博客工程师的最后出路）一个错误的设计思路，对产品的影响是非常大的，在此我要批评一下在一灯QQ群提出用水冷技术来做灯具的工程师了，你提出设计思路时有没有经过大脑？你的思路是：水冷，水蒸气，水蒸气热交换方式你选择了是外释放，而不是内循环。那么你有没有想过，水被蒸发干了 到哪里找水往灯具内部灌？自然加水还是人工加水？人家买你一个灯具还要定期给灯具加水吗？说你是菜鸟一点都不冤枉你!即使是内循环，你有没有考虑结构

9、的密封性？热力学你知道么？热胀冷缩你应该知道！即使你有放气阀门，出去的气体是要带走水分的。或者你都解决这些技术问题了，那么你往灯具内部注水是不是多了一道工序？工序多了工时费就多了。注入的水是不是增加了灯具的重量？重量增加了包装的强度是不是要增加？包装强度增加了，包材成本不增加吗？重量增加了，运输成本是不是要增加？安装难度是不是要增加？防护设计难度是不是要增加？可维护性是不是降低了？或者你会说让用户给灯具加水能降低不少成本。如果你真这样想，那么你TMD就没救了。这就好比你买套高档西服，裤子自己配一样的道理，你愿意，别人未必愿意！所以这种弱智的设计思路咱自己藏着掖着吧，说出来也是丢人啊。主动散热和

10、被动散热，DK说了主动散热好，散热有3种形式。1、传导。2、对流。3、辐射。你说的都没有错，错的是你理解的不够深刻。主动散热是好，无非就是实现非自然对流，非自然对流只能依靠风扇了。但你有没有想过，风扇怎么供电？LED驱动电源是恒流源，风扇却是恒压的。它是不是专门要给出一个独立通道来给风扇供电？即使是风扇供电解决了，那么风扇的寿命呢？有LED寿命长么？风扇寿命总结了，散热怎么办？LED灯具寿命岂不终结了吗？或者你会说热量到了一定程度时再启动风扇，其实这些还是扯淡。你要知道，工业级的产品，是不会用风扇去散热的，其理由是风扇的可靠性得不到保证。你还要考虑使用的环境是否适合风扇运转？风扇的噪声？进风口

11、的风噪呢？电磁波辐射呢？成本等问题。所以对流只能考虑被动对流，依靠灯具外壳将热与空气交换，让空气将热量带走才是最科学使用的方式。其实第3、辐射，它也不实用，理论也是不成立的，从物理学上说，它是不被认可的。确切的说辐射散热的理论应该定义为交换式热扩散。理由是空气是由密度稀疏大气分子构成，热是扩散到空气分子上，由空气分子带走的。热力学可以解释这一理论。我个人认为，热的传导、热的散发都是有过程的，从这一过程到另一过程存在一种运动，这种运动就是分子热运动。热运动有一定速度，热运动速度越快，与空气交换频率越高，在特定的条件下，热会恒定下来，那么灯具的散热目的也就实现了，光通的维持率也就稳定了。说到这里，

12、咱接着热传导和热传递的话题说，热传导既是过程，热传递则是途径。就像咱跑接力赛一样，把接力棒比作为热，把选手们比作为散热的介质，接力赛不是一个选手就能完成的，那需要2个以上的选手，每个选手的体能不一样，那么跑的速度也是不一样的，有快的，有慢的。那么第一个选手跑的速度很慢，等你传达到第二个选手的时候，别人已经快到终点了。这个比喻对热传递来说非常恰当，换句话说如果LED热量在PN结上出不来，你的灯具外结构散热性能再好又有什么用呢？毕竟你的LED晶片不是直接封装在你设计的灯具散热器上！你不妨研究一下热阻，其实热传递包含是所有的散热方式，是热散发的途径，热首先在发光晶片传给基板 锡膏 

13、0;传给电路板 硅脂 传给散热器，这是制作上的工艺热传播途径  从LED去分析  PN结-衬底-合金化合物-基板 这是LED热传递，每个过程都有热阻，假如热阻在第一个环节出不来，你的散热器再好还是没有用的。热传递概况了灯具热散发的一切形式，热阻决定了热到底能不能导出来！热传递、热阻、热沉积的认识就标志着一个LED灯具可靠性！从物理上去分析，热从一个状态变化到另一个状态（热传递过程不可能是从低的载体传到高的载体上。（热力学第二定律），我们可以说它是经历了一个过程。拿灯具来说，LED的PN结热与基板的热不可能是一样（参考集成LED的热叠加问题），基板的热与外

14、散热器的温度也不可能是一样的，这就是热状态的变化。那么这个变化是怎么形成的呢？这就是需要了解热的传播途径。是什么导致输入的热跟输出的热不一致？还是途径！罪魁祸首又是谁？是热的传播运动受到了阻碍（简称热阻）导致热积压（积热或热沉积）在某块区域。那么这块区域有可能是PN结、有可能是基板、有可能就是散热体本身。只有深入的去了解热的传播途径才会知道什么是热传递、热阻、积热。跟一灯网的号称结构散热工程师们聊到这个问题，80%的人泼我冷水，10%的中立，剩下的人根本不在乎。泼冷水的其实也很出色，只是你不够系统化。中立的人没主见，听谁的都行，反正自己没研究。不在乎的人，你们还是摘下你工程师的“帽子”吧，去学

15、校深造几年，拿着教科书死背硬记、死搬硬套也许能混个名气 咱再深入一点，设计灯具散热结构，那么就要知道热对灯具有哪些影响、热又有哪些特性、热对光又有哪些影响、光又有哪些特性（是特性别跟我扯光的波粒二象性）？这两者又有什么共同特性？共同特性会不会是关键？如何找到关键点的所在？什么是关键？关键就是节点！以“”为例，交叉点就是节点，抓任何一条“”，都会失去另一条“”。一个“”就不完全了，也许你会用两只手分别去抓“”，但是那不是关键，关键是节点，一只手就搞定了，何必去用2只手？产品也是一样，假如你只考虑你那块，那么其它的又如何与你兼容？话又说回来，热对灯具到底有哪些影响呢？典型的表现就是光通量的维持率持

16、续降低、严重一点的就是光衰竭、再严重一点的就是寿命的终结。那么要想灯具寿命和光通的维持率得到保证，就得将热从PN结上导出来，避免热量积压在PN结上。刚才也说到，它有一个途径，这个途径前还有一个过程，这就定义了热不能完全导出。那么到底导出多少合适呢？结构工程师们应去研究LED内部构造和PN结所承受的最高温度，要知道LED结温曲线和光通输出的关系。电子工程师要知道LED的安伏特性，施加多少电流电压LED升高了多少温度？也要了解LED的内部有没有过压保护？有没有热通道设计？百分之多少的热是由基板导出？百分之多少的热量是有管脚或者支架导出？剩下的热集中在哪？热覆盖区域多大？这样设计电路时可以考虑哪些热

17、可以忽略掉？管脚或支架是否要利用布线敷铜来散热？基板与电路板用硅脂还是用锡膏？总之，散热不仅仅是你结构工程师考虑的问题，电子工程师也要深入了解。还有关于硅脂和硅胶垫片的误用，铜和铝的散热器误用都是很白痴的错误。比如硅脂的导热系数是2.0，硅胶垫的导热系数是1.2厚度是0.3mm，很多做热分析的工程师们将数据输入后得出结果，硅脂的要好。因为那是软件模拟出来的结果，软件是不会考虑你生产工艺问题的。事实上硅胶片的效果反而好一些，理由是硅脂的是膏状，填充的时候容易受空气的挤压产生空洞，这空洞就会导致铝基板与散热器接触面积不够，从而导致热阻的形成（不信的话自己去做实验）。而硅胶垫是固态的，具有很好的弹性，而且表明有粘液，能很好的排出空气填充空洞，从而降低了热阻。再一个就是生产工艺上，用硅胶垫能避免硅脂与散热器压合后产生的硅脂外溢现象，导致不得不再次清理。（关于配光的技术，本人研究的也是相当透彻，下次发表供大家参考。）其实让我再写下去千八百字没问题，