led燈珠可靠性設(shè)計(jì)之熱失效
在調(diào)試led燈珠或維修電路的時(shí)候，我們常提到一個(gè)詞“l(fā)ed燈珠燒了”，這個(gè)led燈珠有時(shí)是電阻、有時(shí)是保險(xiǎn)絲、有時(shí)是led燈珠芯片，可能很少有人會(huì)追究這個(gè)詞的用法，為什么不是用“壞”而是用“燒”？其原因就是led燈珠熱失效是最常見(jiàn)的一種失效模式，電流過(guò)載，局部空間內(nèi)短時(shí)間內(nèi)通過(guò)較大的電流，會(huì)轉(zhuǎn)化成熱，熱**不易散掉，導(dǎo)致局部溫度快速升高，過(guò)高的溫度會(huì)燒毀導(dǎo)電銅皮、導(dǎo)線和led燈珠本身。所以電失效的很大一部分是熱失效。
那么問(wèn)一個(gè)問(wèn)題，如果假設(shè)電流過(guò)載嚴(yán)重，但該部位散熱極好，能把溫升控制在很低的范圍內(nèi)，是不是led燈珠就不會(huì)失效了呢？答案為“是”。
由此可見(jiàn)，如果想把led燈珠的可靠性做高，一方面使設(shè)備和零部件的耐高溫特性提高，能承受較大的熱應(yīng)力（因?yàn)榄h(huán)境溫度或過(guò)載等引起均可）；另一方面是加強(qiáng)散熱，使環(huán)境溫度和過(guò)載引起的熱量全部散掉，led燈珠可靠性一樣可以提高。下面介紹下熱設(shè)計(jì)的常規(guī)方法。
我們機(jī)電設(shè)備常見(jiàn)的散熱方式是散熱片和風(fēng)扇兩種散熱方式，有時(shí)散熱的程度不夠，有時(shí)又過(guò)度散熱了，那么何時(shí)應(yīng)該散熱，哪種方式散熱最合適呢？這可以依據(jù)熱流密度來(lái)評(píng)估，熱流密度=熱量 / 熱通道面積。
按照《GJB/Z27-92 電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》的規(guī)定（如上圖），根據(jù)可接受的溫升的要求和計(jì)算出的熱流密度，得出可接受的散熱方法。如溫升40℃（縱軸），熱流密度0.04W/cm2（橫軸），按下圖找到交叉點(diǎn)，落在自然冷卻區(qū)內(nèi)，得出自然對(duì)流和輻射即可滿足設(shè)計(jì)要求。
大部分熱設(shè)計(jì)適用于上面這個(gè)圖表，因?yàn)榛旧仙岫际峭ㄟ^(guò)面散熱。但對(duì)于密封設(shè)備，則應(yīng)該用體積功率密度來(lái)估算，熱功率密度=熱量 / 體積。下圖是溫升要求不超過(guò)40℃時(shí)，不同體積功率密度所對(duì)應(yīng)的散熱方式。比如某電源調(diào)整led燈珠芯片，熱耗為0.01W，體積為0.125cm3，體積功率密度=0.1/0.125=0.08W/cm3，查下圖得出金屬傳導(dǎo)冷卻可滿足要求。
按照上圖，可以得出冷卻方法的選擇順序：自然冷卻一導(dǎo)熱一強(qiáng)迫風(fēng)冷一液冷一蒸發(fā)冷卻。體積功率密度低于0.122W/cm3傳導(dǎo)、輻射、自然對(duì)流等方法冷卻；0.122-0.43W/cm3強(qiáng)迫風(fēng)冷；0.43～O.6W/cm3液冷；大于0.6W/cm3蒸發(fā)冷卻。注意這是溫升要求40℃時(shí)的推薦參考值，如果溫升要求低于40℃，就需要對(duì)散熱方式降額使用，0.122時(shí)就需要選擇強(qiáng)迫風(fēng)冷，如果要求溫升很低，甚至要選擇液冷或蒸發(fā)冷卻了。
這里面還應(yīng)注意一個(gè)問(wèn)題，是不是強(qiáng)迫風(fēng)冷能滿足散熱要求，我們就可以隨便選擇風(fēng)扇轉(zhuǎn)速呢，就好像說(shuō)某件工作，專科學(xué)歷的知識(shí)水平即可勝任，是不是隨便抓個(gè)大專生就能做好呢，當(dāng)然不是，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與氣流流速有直接關(guān)系，這里又涉及一個(gè)新概念——熱阻。
熱阻=溫度差 / 熱耗 （單位℃/W）
led燈珠熱阻越小則導(dǎo)熱性能越好，這個(gè)概念等同于電阻，兩端的溫度差類似于電壓，傳導(dǎo)的熱量類似于電流。風(fēng)道的熱阻涉及流體力學(xué)的一些計(jì)算，如果我們?cè)跓嵩O(shè)計(jì)方面要求不是很苛刻，可通過(guò)估算或?qū)嶒?yàn)得出，如果要求很苛刻，可以查閱《GJB/Z27-92 電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》，里面有很多系數(shù)、假設(shè)條件的組合，三言兩語(yǔ)說(shuō)不清楚，個(gè)別系數(shù)我也沒(méi)搞明白如何與現(xiàn)實(shí)的風(fēng)道設(shè)計(jì)結(jié)合，比如，風(fēng)道中有一束電纜、風(fēng)道的壁不是均勻的金屬板，而是有高低不平led燈珠的電路板，對(duì)一些系數(shù)則只能估算了，最準(zhǔn)確的方式反而是實(shí)驗(yàn)測(cè)量了。
led燈珠熱阻更多的是用于散熱器的選擇，一般廠家都能提供這個(gè)參數(shù)。舉例，led燈珠芯片功耗20W，led燈珠芯片表面不能超過(guò)85℃，最高環(huán)境溫度55℃，計(jì)算所需散熱器的熱阻R。
計(jì)算：實(shí)際散熱器與芯片之間的熱阻近似為0.1℃/W，則(R+0.1)=(85-55)℃/20W，則R=1.4℃/W。依據(jù)這個(gè)數(shù)值選散熱器就可以了。
