I diodi luminescenti ad alta potenza (LED ad alta potenza) possono essere 350 milliwatt o più forti in un singolo LED. La maggior parte dell’energia in un LED viene convertita in calore piuttosto che in luce (circa 70% di calore e 30% di luce). Se questo calore non può essere dissipato, i LED si illuminano a temperature molto elevate. Questo non solo abbassa l’efficienza, ma riduce anche la durata della vita del LED. Pertanto, la gestione termica dei LED ad alta potenza è uno spazio essenziale di ricerca e sviluppo. È necessario limitare la temperatura di giunzione di un valore che garantisce la durata desiderata del LED.
Trasferimento di calore
Per mantenere una temperatura bassa dello strato della serratura che effettua l’alta potenza di un LED, tutta la possibilità di rimozione di calore dai LED dovrebbe essere considerata. Conduzione di calore (riduzione), rimozione di calore da aria (convezione) e radiazione sono le tre possibilità per il trasferimento di calore. Tipicamente, i LED sono incapsulati in una resina trasparente, che è un conduttore di calore difettoso. Quasi tutto il calore generato viene passato attraverso la parte posteriore del chip. Il calore è generato dalla transizione di p-n da energia elettrica che non è stata convertita in luce utile. Raggiunge il punto di saldatura attraverso una lunga distanza dal punto di connessione, il punto di saldatura al circuito stampato e il circuito stampato al dissipatore di calore e viene poi indirizzato verso l’atmosfera dell’ambiente esterno.
La temperatura dello strato di barriera è più bassa se l’impedenza termica è più piccola o la temperatura ambientale è più bassa. Per massimizzare l’intervallo di temperatura ambiente utilizzabile per una determinata prestazione di perdita, la resistenza termica totale dal punto di connessione all’ambiente deve essere minimizzata.
I valori di resistenza termica variano notevolmente a seconda del materiale e dei componenti adiacenti. Ad esempio, RJC ( strato barriera di resistenza termica all’alloggiamento) va da 2,6 ° c/W a 18 ° c/w a seconda del produttore del LED. La resistenza termica del materiale di conduzione termica (anche TIM: materiale di interfaccia termica) varia anche a seconda del tipo di materiale selezionato. Tiranti Tim sono epossidiche, pasta termica, adesivo e Lot. I LED ad alta potenza sono spesso montati su circuiti di metallo Core (MCPCBs) collegati ad un radiatore. Il calore passato attraverso la piastra metallica del modulo ed il radiatore termoconduttore allora è dissipato dalla convezione e dalla radiazione. Oltre alla progettazione e alla progettazione del corpo refrigerante, la qualità e l’uniformità superficiale di ogni componente, la pressione, la superficie di contatto, il tipo di materiale di conduzione termica e lo spessore sono. Questi sono parametri per la resistenza al calore o il raffreddamento del LED attraverso la rimozione del calore.
Raffreddamento passivo
Fattori di raffreddamento passivo per una gestione efficiente del calore dei LED ad alta potenza sono:
Conduttore termico
Il conduttore termico viene normalmente utilizzato per collegare il LED alla scheda e alla scheda al radiatore. L’utilizzo di un conduttore termico può ulteriormente ottimizzare la resa termica.
Dissipatore
I dissipatori di calore contribuiscono significativamente alla rimozione di calore. Funziona come un conduttore che dirige il calore dalla fonte del LED al mezzo esterno. I dissipatori di calore possono dedurre l’energia in tre sensi: conduzione di calore (riduzione: trasferimento di calore all’interno di o da un solido ad un altro), convezione (trasferimento di calore da un solido ad un liquido commovente, per la maggior parte delle applicazioni del LED è Il fluido l’aria ambiente) o radiazione (trasferimento di calore di due corpi di diverse temperature superficiali attraverso radiazioni di calore).
- Materiale:
La conducibilità termica del materiale che compone il radiatore interessa direttamente la prestazione di perdita della conduzione termica. Normalmente, l’alluminio viene utilizzato a causa del ottimo rapporto qualità-prezzo. Nel caso dei raffreddatori piani, il rame è usato spesso, malgrado l’alto prezzo d’acquisto. I nuovi materiali includono i termoplastici, che sono usati quando i requisiti di dissipazione di calore sono più bassi del normale (per esempio spesso nei requisiti domestici) o le figure complesse nel processo della fusione dello spruzzo hanno significato. Le soluzioni di grafite hanno spesso un trasferimento termico più efficace (non conduzione termica) rispetto al rame con un peso inferiore rispetto all’alluminio. Graphite è considerata una soluzione di raffreddamento esotico ed è più costoso da produrre. I tubi di calore possono anche essere aggiunti ai refrigeratori di alluminio o rame per ridurre la resistenza di dispersione.
- Forma:
Il trasferimento di calore avviene sulla superficie del refrigeratore. Di conseguenza, i dissipatori di calore dovrebbero essere progettati per avere una grande superficie. Questo può essere ottenuto utilizzando un gran numero di nervature sottili o allargando il radiatore stesso.
Anche se una superficie più grande porta a migliorare le prestazioni di raffreddamento, ci deve essere spazio sufficiente tra le nervature per creare una notevole differenza di temperatura tra la costola di raffreddamento e l’aria ambiente. Se le nervature sono troppo vicine l’una all’altra, l’aria in mezzo può avere quasi la stessa temperatura delle nervature, in modo da nessun trasferimento di calore avviene. Di conseguenza, più nervature di raffreddamento non portano necessariamente a una maggiore potenza di raffreddamento.
- Texture:
La radiazione di calore dei raffreddatori è una funzione della struttura di superficie, particolarmente alle più alte temperature. Una superficie verniciata ha un livello di emissione maggiore di una superficie luminosa e non verniciata. L’effetto è più notevole per i raffreddatori poco profondi, in cui circa un terzo di calore è dissipato tramite radiazione. Inoltre, una superficie di contatto piana ottimale consente l’utilizzo di una pasta di conduzione termica più sottile, che riduce la resistenza al calore tra il dissipatore di calore e la sorgente LED. D’altra parte, anodizzazione o acquaforte riduce anche la resistenza termica.
- Metodo di installazione:
I fissaggi del corpo di raffreddamento con le viti o le piume sono spesso migliori delle clip convenzionali, del conduttore termico o del nastro. Per il trasferimento di calore tra sorgenti LED oltre 15 watt e raffreddatori a LED, si consiglia di utilizzare un materiale di interfaccia ad alto calore conduttivo (TIM) che ha una resistenza al calore sopra l’interfaccia di meno di 0,2 K/W. Attualmente, il metodo più comune utilizzato è un materiale di cambiamento di fase che viene applicato a temperatura ambiente sotto forma di un cuscino solido, ma poi si converte in un liquido denso gelatinoso non appena si alza sopra 45 º C.
Tubi di calore e camere a vapore
Tubi di calore e camere a vapore hanno effetti passivi e le loro capacità di conduttività termica sono molto efficaci da 10.000 a 100.000 W/mK. Offrono i seguenti vantaggi nella gestione del calore a LED:
- Trasporta il calore ad un altro radiatore con la goccia minima di temperatura
- Isothermizes il controllo termico attraverso Convezione naturale, aumentando l’efficienza e riducendo le dimensioni. Si tratta di un caso noto in cui l’aggiunta di cinque tubi di calore ha ridotto la massa del conflusso termico di 34% da 4,4 kg a 2,9 kg.
- L’alto flusso di calore direttamente sotto un condotto efficientemente in un flusso di calore più basso, che può essere dissipato più facilmente.
PCB (stretto: circuito stampato)
- Mcpcb:
MCPPCB (Metal Core PCB) sono tavole che contengono un materiale metallico di base per la distribuzione del calore come parte integrante del circuito stampato. Il nucleo di metallo consiste solitamente di una lega di alluminio. MCPCB ha il vantaggio di uno strato del polimero dielettrico con un’alta conduttività termica.
- Separazione:
La separazione del circuito driver LED dalla scheda LED impedisce che il calore generato dal conducente aumenti la temperatura dello strato di blocco del LED.
Rivestimento in platino
- Processo additivo:
Sui PCB, le sostanze conduttive vengono applicate al materiale portante durante il processo produttivo per la creazione di superfici strutturali conduttive. Il conduttore viene applicato solo all’immagine della traccia del conduttore predeterminato. In opposizione, questo è inciso via nel processo sottrattivo. Fondamentalmente, c’è un collegamento diretto al radiatore in alluminio; Ad esempio, per il circuito non è necessario alcun materiale aggiuntivo per il collegamento termico. Questo riduce gli strati di calore-conduzione e la superficie di calore. Fasi di lavorazione, tipi di materiali e quantità di materiale sono ridotti.
Lastre in alluminio (conosciute anche come circuiti IMS per subStrati metallici isolati)-aumenta il collegamento termico e fornisce un’alta tensione di penetrazione dielettrica. I materiali tollerano il calore fino a 600 ° C. I circuiti sono direttamente attaccati ai substrati di alluminio, quindi non sono necessari materiali di conduzione termica. Il collegamento termico migliorato può ridurre la temperatura dello strato di serratura del LED fino a 10 ° C. Ciò consente allo sviluppatore di ridurre il numero di LED necessari su una scheda aumentando le prestazioni per ogni LED. Può anche ridurre la dimensione del substrato per soddisfare le limitazioni dimensionali. È stato dimostrato che una riduzione della temperatura di transizione aumenta notevolmente la durata della vita del LED.
Fattore di forma
- Flip chip:
Il circuito integrato del LED è montato con la parte anteriore giù sul supporto, che è fatto solitamente di silicone o di ceramica ed è usato come distributore di calore e substrato dell’elemento portante. La connessione flip-chip può essere eutettica, piombo, non piombo o oro stub. La sorgente luminosa primaria viene dal retro del chip LED. Uno strato riflettente è solitamente costruito tra l’emettitore di luce e i siti di saldatura per riflettere la luce emessa verso il basso. Parecchie aziende usano i casi del flip-chip per il loro LED ad alta potenza, riducenti la durevolezza termica del LED da circa 60%. Allo stesso tempo, l’affidabilità termica sarà mantenuta.
