Opublikowano:

Chłodzenie i termiczne zarządzanie diodami LED wysokiej mocy

Grafik Thermal Management

Diody emitujące światło wysokiej mocy (diody LED wysokiej mocy) mogą być 350 miliwatów lub silniejsze w jednej DIODzie LED. Większość energii w LED zamienia się w ciepło, a nie światło (około 70% ciepła i 30% światła). Jeśli ciepło nie jest rozpraszane, diody LED świecą się w bardzo wysokich temperaturach. To nie tylko obniża efektywność, ale również skraca żywotność DIODy. Dlatego też zarządzanie termiczne diod LED wysokiej mocy jest podstawowym obszarem badań i rozwoju. Konieczne jest ograniczenie temperatury połączenia o wartości, która zapewnia pożądane życie LED.

Transfer ciepła

Aby utrzymać niską temperaturę warstwy blokady, która utrzymuje wysoką moc DIODy LED, należy rozważyć możliwość usunięcia ciepła z diod LED. Przewodzenie ciepła (redukcja), odprowadzanie ciepła drogą powietrzną (konwekcja) i promieniowanie to trzy możliwości przenoszenia ciepła. Zazwyczaj diody LED są hermetyzowane w przezroczystej żywicy, która jest złym przewodnikiem cieplnym. Prawie wszystkie generowane ciepło jest przekazywana przez tył chipa. Ciepło jest generowane przez przejście p-n przez energię elektryczną, która nie została przekształcona w użyteczne światło. Dociera do punktu lutowniczego za pomocą długiej odległości od punktu przyłączenia, punktu lutowniczego do płytki drukowanej i płytki drukowanej do radiatora, a następnie skierowany jest do atmosfery otoczenia zewnętrznego.

Temperatura warstwy barierowej jest niższa, jeśli Impedancja termiczna jest mniejsza lub temperatura otoczenia jest niższa. Aby zmaksymalizować zakres temperatur użytkowych dla danej wydajności, należy zminimalizować całkowitą odporność na ciepło z punktu przyłączenia do środowiska.

Wartości odporności na ciepło różnią się znacznie w zależności od materiału i przylegających elementów. Na przykład RJC ( odporność termiczna warstwa bariery do obudowy) waha się od 2,6 ° c/W do 18 ° c/w w zależności od producenta diod LED. Odporność termiczna materiału przewodzenia termicznego (również TIM: materiał cieplny interfejsu) również zależy od wybranego rodzaju materiału. Guying TIMs są epoksydowe, pasty termicznej, kleju i wiele. Diody LED wysokiej mocy są często montowane na metalowych płytkach drukowanych (MCPCB) podłączonych do grzejnika. Ciepło przeszło przez metalową płytkę modułową, a radiator odprowadzający ciepło jest rozpraszany przez konwekcję i promieniowanie. Oprócz projektowania i projektowania korpusu chłodzącego powierzchnia, Równość powierzchni i jakość każdego z elementów, ciśnienie, powierzchnia styku, rodzaj materiału przewodzącego i jego grubość. Są to parametry odporności na ciepło lub chłodzenia LED poprzez odprowadzanie ciepła.

Chłodzenie pasywne

Czynnikami chłodzenia pasywnego dla wydajnego zarządzania ciepłem diod LED wysokiej mocy są:

Przewód termiczny

Przewód termiczny jest zwykle używany do podłączenia LED do płyty i płyty do grzejnika. Zastosowanie przewodu termicznego może dodatkowo zoptymalizować moc cieplną.

Radiatora

Radiatory znacząco przyczyniają się do usuwania ciepła. Funkcjonuje jako dyrygent, który kieruje ciepło ze źródła LED do zewnętrznego medium. Radiatory mogą wywnioskować energii na trzy sposoby: przewodnictwo cieplne (redukcja: ciepła w obrębie lub z jednej bryły do drugiej), konwekcji (ciepła z jednego stałego do cieczy w ruchu, dla większości zastosowań LED jest Płynu otaczającego powietrza) lub promieniowania (transfer ciepła dwóch ciał o różnej temperaturze powierzchni poprzez promieniowanie cieplne).

  • Materiał:

Przewodność cieplna materiału, który sprawia, że grzejnik bezpośrednio wpływa na wydajność strat w przewodzeniu termicznym. Normalnie, aluminium jest używany ze względu na bardzo dobry stosunek jakości do ceny. W przypadku chłodnic płaskich Miedź jest często wykorzystywana pomimo wysokiej ceny zakupu. Nowe materiały obejmują tworzywa termoplastyczne, które są stosowane, gdy wymogi rozpraszania ciepła są niższe niż normalnie (np. często w wymaganiach domowych) lub skomplikowanych kształtów w procesie odlewania w sprayu sens. Rozwiązania grafitowe często mają bardziej efektywny transfer ciepła (nie przewodzenia termicznego) niż miedź przy mniejszej masie niż aluminium. Grafit jest uważany za egzotyczne rozwiązanie chłodzące i jest droższy w produkcji. Rury grzewcze mogą być również dodawane do chłodnic aluminiowych lub miedzianych w celu zmniejszenia oporu dyspersji.

  • Formularza:

Przekazanie ciepła odbywa się na powierzchni chłodnicy. Dlatego radiatory powinny być zaprojektowane tak, aby mieć dużą powierzchnię. Można to osiągnąć za pomocą dużej liczby drobnych żeber lub poprzez powiększenie samego grzejnika.
Mimo większej powierzchni prowadzi do lepszej wydajności chłodzenia, musi być wystarczająca przestrzeń między żebrami, aby stworzyć znaczną różnicę temperatur między żebrami chłodzącymi a otaczającym powietrzem. Jeżeli żebra są zbyt blisko siebie, powietrze pomiędzy nimi może mieć prawie taką samą temperaturę jak żebra, więc nie ma miejsca na transfer ciepła. W rezultacie, więcej żeber chłodzących niekoniecznie prowadzi do większej mocy chłodzenia.

  • Tekstury:

Promieniowanie cieplne chłodnic jest funkcją tekstury powierzchni, zwłaszcza przy wyższych temperaturach. Pomalowana powierzchnia ma większy poziom emisji niż jasna, nielakierowana powierzchnia. Efekt ten jest najbardziej zauważalny dla płytkich chłodnic, gdzie około 1/3 ciepła jest rozpraszana przez promieniowanie. Ponadto optymalna płaska powierzchnia styku pozwala na zastosowanie cieńszej pasty przewodzącej, co zmniejsza odporność termiczną między radiatorem a źródłem LED. Z drugiej strony, anodowanie lub wytrawianie również zmniejsza odporność termiczną.

  • Sposób instalacji:

Elementy mocujące do ciała chłodzącego z wkrętami lub piórami są często lepsze niż zwykłe klipsy, przewodnik termiczny lub taśma. Do przenoszenia ciepła pomiędzy źródłami LED ponad 15 watów i chłodnice LED, zaleca się stosowanie wysokiej ciepła przewodzącego interfejsu materiału (TIM), który ma odporność termiczną powyżej interfejsu mniej niż 0,2 K/W. Obecnie najczęściej stosowaną metodą jest materiał zmiany fazy, który jest stosowany w temperaturze pokojowej w postaci stałej poduszki, ale następnie konwertuje do gęstej cieczy żelatynowej, jak tylko wzrośnie powyżej 45 º C.

Rury grzewcze i komory parowe

Rury grzewcze i komory parowe mają pasywne efekty, a ich przewodność cieplna jest bardzo skuteczna od 10 000 do 100 000 W/mK. Oferują one następujące zalety w zarządzaniu ciepłem cieplnym:

  • Transportuje ciepło do innego grzejnika przy minimalnym spadku temperatury
  • Isothermizes kontrolę ciepła poprzez naturalną konwekcję, zwiększając efektywność i zmniejszając jej rozmiar. Jest to przypadek , w którym dodanie pięciu rur grzewczych zmniejszyło masę strumienia ciepła o 34% z 4,4 kg do 2,9 kg.
  • Wysoki przepływ ciepła bezpośrednio pod DIODą LED efektywnie obniża przepływ ciepła, co można łatwo rozproszyć.

PCB (szczelne: płytki drukowanej wciśnięty)

  • MCPCB

MCPPCB (PCB rdzenia metalowego) są płyty, które zawierają materiał bazowy do rozprowadzania ciepła jako integralną część płytki drukowanej. Rdzeń metalowy składa się zwykle ze stopu aluminium. MCPCB ma tę zaletę, że dwuelektryczna warstwa polimerowa ma wysoką przewodność cieplną.

  • Separacji:

OdDzielanie obwodu sterownika DIODy LED od płyty LED zapobiega zwiększeniu temperatury generowanej przez kierowcę.

Powłoka Platynowa

  • Proces dodatku:

Na PCB, substancje przewodzące są stosowane do materiału nośnego podczas procesu produkcji w celu stworzenia przewodzącej powierzchni konstrukcyjnej. Dyrygent jest stosowany tylko na obraz toru z góry ustalony dyrygent. W odróżnieniu od tego, jest to wyryte w procesie odejmowania. Zasadniczo, istnieje bezpośrednie podłączenie do grzejnika aluminiowego; Na przykład dla obwodu nie jest wymagany dodatkowy materiał do podłączenia termicznego. Redukuje to ciepło-przewodzące warstwy i powierzchnię cieplną. Etapy przetwarzania, rodzaje materiałów i ilości materiałów są zredukowane.

Aluminiowe płyty drabinowe (znane także jako płytki obwodowe do izolowanych podłoży metalowych)-zwiększają temperaturę połączenia termicznego i zapewniają wysokie napięcie przebicia. Materiały tolerują ciepło do 600 ° C. Obwody są bezpośrednio przymocowane do podłoży aluminiowych, więc nie są wymagane żadne materiały przewodzące. Ulepszone połączenie termiczne może zmniejszyć temperaturę warstwy blokady LED o maksymalnie 10 ° C. Pozwala to deweloperowi na zmniejszenie liczby diod LED wymaganych na planszy poprzez zwiększenie wydajności dla każdej DIODy LED. Może również zmniejszyć rozmiar podłoża w celu spełnienia ograniczeń wymiarowych. Udowodniono, że obniżenie temperatury przejścia znacząco wydłuża żywotność DIODy LED.

Faktor

  • Flip chip:

Układ LED jest zamontowany z przodu w dół na uchwycie, który jest zazwyczaj wykonany z krzemu lub ceramiki i jest używany jako dystrybutor ciepła i podłoża nośnego. Flip-chip połączenie może być Castolin, ołowiowej, bezołowiowej lub złota Stub. Podstawowe źródło światła pochodzi z tyłu układu LED. Warstwa refleksyjna jest zwykle zbudowana pomiędzy emiterem światła a miejscami lutowniczymi, aby odzwierciedlić światło emitowane w dół. Kilka firm używa Flip-chip przypadkach ich wysokiej mocy DIODy LED, zmniejszając trwałość termiczną o około 60%. Jednocześnie utrzymuje się niezawodność termiczną.

Dodaj komentarz