散熱設(shè)計的一些誤區(qū)和熱傳遞理論

1、散熱設(shè)計的一些誤區(qū)和熱傳遞理論2010-12-08 11:47  分類：原創(chuàng)文學 散熱設(shè)計的一些誤區(qū)和熱傳遞理論作者：唐俊文（研發(fā)總監(jiān)） 時間2010-11-17 支持原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請聲明 在此我先呼吁中國的燈具工程師們：請不要再傷我的心了！LED照明沒你們說的那么簡單，請別再說LED沒技術(shù)含量了，LED不是點亮就算照明的！對熱傳遞、熱阻、積熱我堅持我的理論，如果還有不明白的工程師，也可留言，我會一一解答。要知道LED不是給電點亮就行，它可不是傳統(tǒng)照明。（關(guān)于LED照明和傳統(tǒng)照明的區(qū)別，我在博客中也曾說到過，有興趣的話可以前往頂帖。）    

2、60; 在一燈QQ群里面，我也發(fā)現(xiàn)了很多工程師的技能還是不夠全面，看待LED不夠透徹，對于熱傳遞、熱阻、積熱都不怎么明白，只會抄襲、剽竊別人的技術(shù)成果，對于過程、途徑一無所知，甚至連結(jié)果都無法保證。前不久中山的燈博會某公司推出的隧道燈，一種新應(yīng)用完全解決了眩光問題，其解決方案是將所有的燈具光向前打讓司機們看不到發(fā)光體，這樣眩光就解決了。后來這種應(yīng)用被其它公司抄襲，他們將燈具的一邊用遮光板擋住，這樣也能解決眩光問題。我就納悶了，抄襲就是抄襲，意義不大，更沒有什么技術(shù)含量。這樣做，只會影響光形，配光曲線不可能是對稱蝠翼形的，而且容易產(chǎn)生黑區(qū)。如果這個也能在燈博會上受關(guān)注和表彰的話，那么在此我提出避

3、孕套的新用法-反復(fù)使用、洗洗再用、翻一面繼續(xù)用，我的口號是：節(jié)約成本、節(jié)約資源、環(huán)保。這樣是不是該發(fā)一個諾貝爾發(fā)明獎給我呢？雖然這個比喻很不恰當，但總能表達一些設(shè)計者、追捧者的一些誤區(qū)，看待事情不能表面化，要深入研究，要切合實際去考量。      今天與一個網(wǎng)名前綴叫DK的工程師聊燈具散熱的問題，其中我提到：“其實我總結(jié):“散熱無非就考慮熱傳遞和熱阻”可是我的觀點遭到了眾多散熱工程師們的炮轟，爭辯得那是相當激烈，尤其是DK，更是不贊同，直接判定我對散熱沒研究。他堅持熱傳導(dǎo)這個詞，反駁我的熱傳遞理論，其實熱傳遞和熱傳導(dǎo)就是途徑和過程的區(qū)別。（以下會解釋到熱

4、傳遞和熱傳導(dǎo)到底該怎么去理解）      一個燈具結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計散熱結(jié)構(gòu)時，單單考慮過程是不夠的。我說過，做技術(shù)的、做開發(fā)的都應(yīng)該具備兩種思維。第一種就是跳躍性思維，第二種是系統(tǒng)性思維。其中系統(tǒng)的意思比較廣泛，總的來講可定義為“全面、深入”的意思。跳躍性思維可以避免工程師們陷入技術(shù)誤區(qū)不能自拔，不具備跳躍性思維的工程師們習慣用技術(shù)手段解決技術(shù)問題，但是不知道這樣做最容易陷入技術(shù)死角不能跳轉(zhuǎn)。具備跳躍性思維的人一般不按常規(guī)出牌，通常慣用的手法是用非技術(shù)手段去解決技術(shù)問題。非技術(shù)手段雖然其核心思維方式和方法不是技術(shù)的內(nèi)容，但它利用的是 “事物是普

5、遍聯(lián)系” 的哲學觀點。當我們遇到實在超出個人學識能力的事情，又需要作出判斷的時候，事物間的普遍聯(lián)系能呈現(xiàn)出有助于推理的信息，細細分析呈現(xiàn)出技術(shù)內(nèi)涵的脈絡(luò)，這個脈絡(luò)的內(nèi)容雖然我們不清楚，但它的表現(xiàn)形式和結(jié)果絕對是很有用的，所以說，非技術(shù)手段其實關(guān)注的是結(jié)果，技術(shù)手段關(guān)注的是過程。而具備系統(tǒng)性思維的人能避免工程師們陷入“一葉障目，不見泰山”的狀況。做結(jié)構(gòu)的只管結(jié)構(gòu)，做電子的只管電子，盯著自己的那一畝三分地出成果，瘋狂吹噓各自的技術(shù)領(lǐng)域特點。在系統(tǒng)整合方面誰也不讓步，導(dǎo)致最終的結(jié)果是產(chǎn)品缺陷、漏洞百出！要知道，系統(tǒng)性思維不是單一的技術(shù)領(lǐng)域就能搞定一個產(chǎn)品，而是深入去研究各個環(huán)節(jié)和各個細節(jié)。很多人有了

6、初步的認識就是認為：一個燈具產(chǎn)品主要考慮散熱，再深入一點就說要配光，繼續(xù)做又發(fā)現(xiàn)還要考慮驅(qū)動難道我們做技術(shù)的就不能再深入一點？做LED照明的工程師們考慮的僅僅如此嗎？剩下的事情該是自己考慮的還是專業(yè)的系統(tǒng)工程師們考慮？如果僅僅如此，那么工程師們的技能永遠不能全面化，都是片面型的，何來提高？何談技術(shù)開發(fā)？何談產(chǎn)品設(shè)計？設(shè)計結(jié)構(gòu)的，外形設(shè)計好了，散熱沒問題了，加工工藝也考慮到了，深入一點的連維護問題也考慮好了，唯一沒考慮的是如何與電子驅(qū)動的配合，即使是考慮到與電子的配合，但也是片面性的。做電子驅(qū)動的考慮的是元件發(fā)熱和耐熱和驅(qū)動的安全性，做結(jié)構(gòu)的考慮的是利用結(jié)構(gòu)散熱，設(shè)計上有幾個考慮到設(shè)計的余地是多

7、少？余地范圍多少才算合適？驅(qū)動在發(fā)熱體內(nèi)部使用 如何散熱？安全、壽命怎能得到保障？驅(qū)動在常溫下升溫情況沒問題，但是在發(fā)熱源內(nèi)部呢？在高溫高濕環(huán)境下呢？在狹小密封的金屬體內(nèi)部呢？會不會產(chǎn)生天線效應(yīng)呢？結(jié)構(gòu)在鹽霧酸堿環(huán)境下會不會被腐蝕呢？腐蝕的程度和周期有沒有研究呢？在UV輻射下呢？在抗震、抗風、抗沖擊下呢？在雷暴、磁變、瞬態(tài)沖擊下呢？在EMIEMC方面呢？等等 這些問題工程師們設(shè)計時考慮了哪些？一個完美的驅(qū)動在高溫老化時沒問題，但在燈具內(nèi)部又出現(xiàn)了問題。電子工程師說是生產(chǎn)工藝問題，生產(chǎn)又說是設(shè)計問題，設(shè)計者又說是結(jié)構(gòu)問題那么到底是什么問題？誰能說的清楚？誰說的又是正確的？其實所有的問題都可以歸納

8、為人為因素。研發(fā)部的系統(tǒng)工程師就是干這個的，他最具備系統(tǒng)性思維，在技術(shù)工作方面不能片面化，在產(chǎn)品設(shè)計方面必須得具備系統(tǒng)性思維-全面考慮、深入了解、認真分析才能做好產(chǎn)品。（關(guān)于系統(tǒng)工程師請參考我的博客工程師的最后出路）一個錯誤的設(shè)計思路，對產(chǎn)品的影響是非常大的，在此我要批評一下在一燈QQ群提出用水冷技術(shù)來做燈具的工程師了，你提出設(shè)計思路時有沒有經(jīng)過大腦？你的思路是：水冷，水蒸氣，水蒸氣熱交換方式你選擇了是外釋放，而不是內(nèi)循環(huán)。那么你有沒有想過，水被蒸發(fā)干了 到哪里找水往燈具內(nèi)部灌？自然加水還是人工加水？人家買你一個燈具還要定期給燈具加水嗎？說你是菜鳥一點都不冤枉你!即使是內(nèi)循環(huán)，你有沒有考慮結(jié)構(gòu)

9、的密封性？熱力學你知道么？熱脹冷縮你應(yīng)該知道！即使你有放氣閥門，出去的氣體是要帶走水分的?；蛘吣愣冀鉀Q這些技術(shù)問題了，那么你往燈具內(nèi)部注水是不是多了一道工序？工序多了工時費就多了。注入的水是不是增加了燈具的重量？重量增加了包裝的強度是不是要增加？包裝強度增加了，包材成本不增加嗎？重量增加了，運輸成本是不是要增加？安裝難度是不是要增加？防護設(shè)計難度是不是要增加？可維護性是不是降低了？或者你會說讓用戶給燈具加水能降低不少成本。如果你真這樣想，那么你TMD就沒救了。這就好比你買套高檔西服，褲子自己配一樣的道理，你愿意，別人未必愿意！所以這種弱智的設(shè)計思路咱自己藏著掖著吧，說出來也是丟人啊。主動散熱和

10、被動散熱，DK說了主動散熱好，散熱有3種形式。1、傳導(dǎo)。2、對流。3、輻射。你說的都沒有錯，錯的是你理解的不夠深刻。主動散熱是好，無非就是實現(xiàn)非自然對流，非自然對流只能依靠風扇了。但你有沒有想過，風扇怎么供電？LED驅(qū)動電源是恒流源，風扇卻是恒壓的。它是不是專門要給出一個獨立通道來給風扇供電？即使是風扇供電解決了，那么風扇的壽命呢？有LED壽命長么？風扇壽命總結(jié)了，散熱怎么辦？LED燈具壽命豈不終結(jié)了嗎？或者你會說熱量到了一定程度時再啟動風扇，其實這些還是扯淡。你要知道，工業(yè)級的產(chǎn)品，是不會用風扇去散熱的，其理由是風扇的可靠性得不到保證。你還要考慮使用的環(huán)境是否適合風扇運轉(zhuǎn)？風扇的噪聲？進風口

11、的風噪呢？電磁波輻射呢？成本等問題。所以對流只能考慮被動對流，依靠燈具外殼將熱與空氣交換，讓空氣將熱量帶走才是最科學使用的方式。其實第3、輻射，它也不實用，理論也是不成立的，從物理學上說，它是不被認可的。確切的說輻射散熱的理論應(yīng)該定義為交換式熱擴散。理由是空氣是由密度稀疏大氣分子構(gòu)成，熱是擴散到空氣分子上，由空氣分子帶走的。熱力學可以解釋這一理論。我個人認為，熱的傳導(dǎo)、熱的散發(fā)都是有過程的，從這一過程到另一過程存在一種運動，這種運動就是分子熱運動。熱運動有一定速度，熱運動速度越快，與空氣交換頻率越高，在特定的條件下，熱會恒定下來，那么燈具的散熱目的也就實現(xiàn)了，光通的維持率也就穩(wěn)定了。說到這里，

12、咱接著熱傳導(dǎo)和熱傳遞的話題說，熱傳導(dǎo)既是過程，熱傳遞則是途徑。就像咱跑接力賽一樣，把接力棒比作為熱，把選手們比作為散熱的介質(zhì)，接力賽不是一個選手就能完成的，那需要2個以上的選手，每個選手的體能不一樣，那么跑的速度也是不一樣的，有快的，有慢的。那么第一個選手跑的速度很慢，等你傳達到第二個選手的時候，別人已經(jīng)快到終點了。這個比喻對熱傳遞來說非常恰當，換句話說如果LED熱量在PN結(jié)上出不來，你的燈具外結(jié)構(gòu)散熱性能再好又有什么用呢？畢竟你的LED晶片不是直接封裝在你設(shè)計的燈具散熱器上！你不妨研究一下熱阻，其實熱傳遞包含是所有的散熱方式，是熱散發(fā)的途徑，熱首先在發(fā)光晶片傳給基板 錫膏 

13、0;傳給電路板 硅脂 傳給散熱器，這是制作上的工藝熱傳播途徑  從LED去分析  PN結(jié)-襯底-合金化合物-基板 這是LED熱傳遞，每個過程都有熱阻，假如熱阻在第一個環(huán)節(jié)出不來，你的散熱器再好還是沒有用的。熱傳遞概況了燈具熱散發(fā)的一切形式，熱阻決定了熱到底能不能導(dǎo)出來！熱傳遞、熱阻、熱沉積的認識就標志著一個LED燈具可靠性！從物理上去分析，熱從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)（熱傳遞過程不可能是從低的載體傳到高的載體上。（熱力學第二定律），我們可以說它是經(jīng)歷了一個過程。拿燈具來說，LED的PN結(jié)熱與基板的熱不可能是一樣（參考集成LED的熱疊加問題），基板的熱與外

14、散熱器的溫度也不可能是一樣的，這就是熱狀態(tài)的變化。那么這個變化是怎么形成的呢？這就是需要了解熱的傳播途徑。是什么導(dǎo)致輸入的熱跟輸出的熱不一致？還是途徑！罪魁禍首又是誰？是熱的傳播運動受到了阻礙（簡稱熱阻）導(dǎo)致熱積壓（積熱或熱沉積）在某塊區(qū)域。那么這塊區(qū)域有可能是PN結(jié)、有可能是基板、有可能就是散熱體本身。只有深入的去了解熱的傳播途徑才會知道什么是熱傳遞、熱阻、積熱。跟一燈網(wǎng)的號稱結(jié)構(gòu)散熱工程師們聊到這個問題，80%的人潑我冷水，10%的中立，剩下的人根本不在乎。潑冷水的其實也很出色，只是你不夠系統(tǒng)化。中立的人沒主見，聽誰的都行，反正自己沒研究。不在乎的人，你們還是摘下你工程師的“帽子”吧，去學

15、校深造幾年，拿著教科書死背硬記、死搬硬套也許能混個名氣 咱再深入一點，設(shè)計燈具散熱結(jié)構(gòu)，那么就要知道熱對燈具有哪些影響、熱又有哪些特性、熱對光又有哪些影響、光又有哪些特性（是特性別跟我扯光的波粒二象性）？這兩者又有什么共同特性？共同特性會不會是關(guān)鍵？如何找到關(guān)鍵點的所在？什么是關(guān)鍵？關(guān)鍵就是節(jié)點！以“”為例，交叉點就是節(jié)點，抓任何一條“”，都會失去另一條“”。一個“”就不完全了，也許你會用兩只手分別去抓“”，但是那不是關(guān)鍵，關(guān)鍵是節(jié)點，一只手就搞定了，何必去用2只手？產(chǎn)品也是一樣，假如你只考慮你那塊，那么其它的又如何與你兼容？話又說回來，熱對燈具到底有哪些影響呢？典型的表現(xiàn)就是光通量的維持率持

16、續(xù)降低、嚴重一點的就是光衰竭、再嚴重一點的就是壽命的終結(jié)。那么要想燈具壽命和光通的維持率得到保證，就得將熱從PN結(jié)上導(dǎo)出來，避免熱量積壓在PN結(jié)上。剛才也說到，它有一個途徑，這個途徑前還有一個過程，這就定義了熱不能完全導(dǎo)出。那么到底導(dǎo)出多少合適呢？結(jié)構(gòu)工程師們應(yīng)去研究LED內(nèi)部構(gòu)造和PN結(jié)所承受的最高溫度，要知道LED結(jié)溫曲線和光通輸出的關(guān)系。電子工程師要知道LED的安伏特性，施加多少電流電壓LED升高了多少溫度？也要了解LED的內(nèi)部有沒有過壓保護？有沒有熱通道設(shè)計？百分之多少的熱是由基板導(dǎo)出？百分之多少的熱量是有管腳或者支架導(dǎo)出？剩下的熱集中在哪？熱覆蓋區(qū)域多大？這樣設(shè)計電路時可以考慮哪些熱

17、可以忽略掉？管腳或支架是否要利用布線敷銅來散熱？基板與電路板用硅脂還是用錫膏？總之，散熱不僅僅是你結(jié)構(gòu)工程師考慮的問題，電子工程師也要深入了解。還有關(guān)于硅脂和硅膠墊片的誤用，銅和鋁的散熱器誤用都是很白癡的錯誤。比如硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)是2.0，硅膠墊的導(dǎo)熱系數(shù)是1.2厚度是0.3mm，很多做熱分析的工程師們將數(shù)據(jù)輸入后得出結(jié)果，硅脂的要好。因為那是軟件模擬出來的結(jié)果，軟件是不會考慮你生產(chǎn)工藝問題的。事實上硅膠片的效果反而好一些，理由是硅脂的是膏狀，填充的時候容易受空氣的擠壓產(chǎn)生空洞，這空洞就會導(dǎo)致鋁基板與散熱器接觸面積不夠，從而導(dǎo)致熱阻的形成（不信的話自己去做實驗）。而硅膠墊是固態(tài)的，具有很好的彈性，而且表明有粘液，能很好的排出空氣填充空洞，從而降低了熱阻。再一個就是生產(chǎn)工藝上，用硅膠墊能避免硅脂與散熱器壓合后產(chǎn)生的硅脂外溢現(xiàn)象，導(dǎo)致不得不再次清理。（關(guān)于配光的技術(shù)，本人研究的也是相當透徹，下次發(fā)表供大家參考。）其實讓我再寫下去千八百字沒問題，