Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Типичный светодиодный корпус, включая дизайн управления температурой
Тепловая анимация мощной светодиодной лампы размера A19, созданная с использованием программного обеспечения для анализа вычислительной гидродинамики (CFD) с высоким разрешением , демонстрирующая контурный светодиодный радиатор и траектории потока
Тепловая анимация промышленного дизайна радиатора потолочного светильника PAR 64 с высокой плотностью мощности, созданная с помощью программного обеспечения для анализа CFD с высоким разрешением, демонстрирующая поверхность радиатора с контурной температурой, а также внутренние и внешние траектории потока
Типовая тепловая модель светодиодного корпуса. Рассеиваемая мощность светодиода моделируется как источник тока; тепловое сопротивление моделируется как резистор; а температура окружающей среды моделируется как источник напряжения.

Светодиоды высокой мощности (СИД) могут потреблять 350 милливатт или более в одном светодиоде. Большая часть электричества в светодиодах превращается в тепло, а не в свет (около 70% тепла и 30% света). [1] Если это тепло не отводится, светодиоды работают при высоких температурах, что не только снижает их эффективность, но и снижает надежность светодиодов . Таким образом, управление температурным режимом мощных светодиодов является важной областью исследований и разработок. Необходимо ограничить температуру перехода и частиц люминофора до значения, которое гарантирует желаемый срок службы светодиода. [2] [3]

Светодиодный модуль COB на чипе мощностью 80 Вт от промышленного светильника, термически связанный с радиатором

Процедура теплопередачи [ править ]

Чтобы поддерживать низкую температуру перехода и поддерживать хорошие характеристики светодиода , следует рассмотреть все методы отвода тепла от светодиодов. Проводимость , конвекция и излучение - три средства передачи тепла. Обычно светодиоды заключены в прозрачную смолу на основе полиуретана , которая является плохим проводником тепла . Практически все выделяемое тепло проходит через тыльную сторону чипа. [4] Тепло генерируется от p – n-перехода электрической энергией, которая не была преобразована в полезный свет, и передается во внешнюю среду по длинному пути, от перехода кточка пайки, точка пайки к плате и плата к радиатору, а затем в атмосферу. Типичный вид светодиода сбоку и его тепловая модель показаны на рисунках.

Температура перехода будет ниже, если тепловое сопротивление меньше, а также при более низкой температуре окружающей среды. Чтобы максимально увеличить полезный диапазон температуры окружающей среды для данного рассеиваемой мощности , общее тепловое сопротивление от перехода к окружающей среде должно быть минимизировано.

Значения термического сопротивления широко варьируются в зависимости от материала или поставщика компонентов. Например, R JC будет находиться в диапазоне от 2,6 ° C / Вт до 18 ° C / Вт, в зависимости от производителя светодиода . Термическое сопротивление материала термоинтерфейса (TIM) также будет варьироваться в зависимости от типа выбранного материала. Обычные TIM - это эпоксидная смола , термопаста, самоклеящийся клей и припой. Светодиоды питания часто устанавливаются на печатных платах с металлическим сердечником (MCPCB), которые прикрепляются к радиатору. Тепло, проходящее через MCPCB и радиатор, рассеивается за счет конвекции и излучения. В конструкции упаковки, плоскостность поверхности и качество каждого компонента, приложенное давление монтажа., площадь контакта, тип материала интерфейса и его толщина - все это важные параметры для расчета теплового сопротивления.

Пассивные тепловые конструкции [ править ]

Некоторые соображения по поводу пассивных тепловых схем для обеспечения хорошего управления тепловым режимом для работы светодиодов высокой мощности включают:

Клей [ править ]

Клей обычно используется для склеивания светодиодов и платы, платы и радиаторов. Использование теплопроводного клея может дополнительно оптимизировать тепловые характеристики.

Радиатор [ править ]

Радиаторы обеспечивают путь для тепла от источника светодиода к внешней среде. Радиаторы могут рассеивать мощность тремя способами: теплопроводность (передача тепла от одного твердого тела к другому), конвекция (передача тепла от твердого тела к движущейся жидкости, которой для большинства светодиодных приложений будет воздух) или излучение (передача тепла от двух тел. различной температуры поверхности посредством теплового излучения ).

  • Материал - теплопроводность материала, из которого изготовлен радиатор, напрямую влияет на эффективность рассеивания за счет теплопроводности. Обычно это алюминий , хотя медьможет использоваться с преимуществом для плоских радиаторов. Новые материалы включают термопласты, которые используются, когда требования к рассеиванию тепла ниже, чем у обычных, или когда сложная форма может быть получена путем литья под давлением, а также решения из природного графита, которые обеспечивают лучшую теплопередачу, чем медь, с меньшим весом, чем алюминий, плюс способность формировать сложные двухмерные формы. Графит считается экзотическим решением для охлаждения и требует более высоких производственных затрат. Тепловые трубки также могут быть добавлены к алюминиевым или медным радиаторам для уменьшения сопротивления растеканию.
  • Форма - Теплопередача происходит на поверхности радиатора. Поэтому радиаторы должны иметь большую площадь поверхности. Этой цели можно достичь, используя большое количество тонких ребер или увеличивая размер самого радиатора.

Хотя большая площадь поверхности приводит к лучшему охлаждению, между ребрами должно быть достаточно места для создания значительной разницы температур между ребрами и окружающим воздухом. Когда ребра стоят слишком близко друг к другу, температура воздуха между ними может стать почти такой же, как и температура ребер, так что теплопередачи не произойдет. Следовательно, большее количество ребер не обязательно приводит к лучшему охлаждению.

  • Обработка поверхности - Тепловое излучение радиаторов зависит от качества поверхности, особенно при более высоких температурах. Окрашенная поверхность будет иметь больший коэффициент излучения, чем яркая неокрашенная. Эффект наиболее заметен с плоскими радиаторами, где около одной трети тепла рассеивается за счет излучения. Кроме того, идеально ровная контактная поверхность позволяет использовать более тонкий слой термопаста, что снижает тепловое сопротивление между радиатором и источником светодиода. С другой стороны, анодирование или травление также снизят термическое сопротивление.
  • Метод монтажа - крепление радиатора с помощью винтов или пружин часто лучше обычных зажимов, теплопроводного клея или липкой ленты.

Для передачи тепла между светодиодными источниками мощностью более 15 Вт и светодиодными кулерами рекомендуется использовать интерфейсный материал с высокой теплопроводностью (TIM), который будет создавать тепловое сопротивление на границе раздела ниже 0,2 кОм / Вт. используйте материал с фазовым переходом , который наносится в виде твердой подушки при комнатной температуре, но затем превращается в густую студенистую жидкость, когда температура поднимается выше 45 ° C.

Тепловые трубы и паровые камеры [ править ]

Тепловые трубки и паровые камеры являются пассивными и имеют эффективную теплопроводность от 10 000 до 100 000 Вт / м К. Они могут обеспечить следующие преимущества в управлении тепловым режимом светодиодов: [5]

  • Отвод тепла к удаленному радиатору с минимальным перепадом температуры
  • Изотермизируйте радиатор с естественной конвекцией , увеличивая его эффективность и уменьшая размер. В одном случае добавление пяти тепловых трубок уменьшило массу радиатора на 34%, с 4,4 кг до 2,9 кг. [6]
  • Эффективно преобразуйте высокий тепловой поток непосредственно под светодиодом в более низкий тепловой поток, который можно легко удалить. [7]

PCB (печатная плата) [ править ]

  • MCPCB - MCPCB (Metal Core PCB ) - это те платы, которые включают в себя основной металлический материал в качестве теплораспределителя в качестве неотъемлемой части печатной платы. Металлический сердечник обычно состоит из алюминиевого сплава. Кроме того, MCPCB может воспользоваться преимуществом включения диэлектрического полимерного слоя с высокой теплопроводностью для более низкого теплового сопротивления.
  • Разделение - отделение схемы возбуждения светодиодов от платы светодиодов предотвращает нагрев, выделяемый драйвером, для повышения температуры перехода светодиодов.

Система толстопленочных материалов [ править ]

  • Добавка Процесс - Толстые пленки представляет собой селективный аддитивный процесс осаждения , который использует материал , только там , где это необходимо. Предусмотрено более прямое подключение к алюминиевому радиатору; поэтому термоинтерфейс не требуется для построения схемы. Уменьшает теплоотводящие слои и тепловое воздействие. Шаги обработки сокращаются, а также количество материалов и количество потребляемых материалов.
  • Система изолированных алюминиевых материалов - увеличивает тепловую связь и обеспечивает высокую диэлектрическую прочность на пробой. Материалы можно обжигать при температуре ниже 600 ° C. Цепи устанавливаются непосредственно на алюминиевые подложки, что устраняет необходимость в материалах для термоинтерфейса . Благодаря улучшенной тепловой связи температура перехода светодиода может быть снижена до 10 ° C. Это позволяет разработчику либо уменьшить количество светодиодов, необходимых на плате, увеличив мощность каждого светодиода; или уменьшите размер подложки, чтобы справиться с ограничениями по размерам. Также доказано, что снижение температуры перехода светодиода значительно увеличивает срок службы светодиода.

Тип пакета [ править ]

  • Флип-чип - концепция подобна флип-чипу в конфигурации корпуса, широко используемой в индустрии кремниевых интегральных схем . Вкратце, светодиодный кристалл собирается лицевой стороной вниз на вспомогательном креплении, которое обычно выполнено из силикона или керамики , действуя как теплораспределитель и поддерживающая подложка. Соединение Flip-Chip может быть эвтектическим , с высоким содержанием свинца , бессвинцовым припоем или золотым штырем.. Первичный источник света исходит с задней стороны светодиодного чипа, и обычно между излучателем света и паяными соединениями имеется встроенный отражающий слой, который отражает вверх свет, который излучается вниз. Некоторые компании использовали флип-чипы для своих мощных светодиодов, что позволило снизить тепловое сопротивление светодиода примерно на 60% при сохранении его тепловой надежности.

Светодиодная нить [ править ]

LED накаливания стиль лампа сочетает в себе множество светодиодов с относительно низкой мощности на прозрачной стеклянную подложке, покрытый люминофором, а затем инкапсулируется в силиконе. Колба лампы заполнена инертным газом, который отводит тепло от расширенного массива светодиодов к оболочке колбы. Такая конструкция позволяет избежать необходимости в большом радиаторе.

Активные тепловые конструкции [ править ]

Некоторые работы по использованию активных тепловых схем для реализации хорошего теплового управления для работы светодиодов высокой мощности включают:

Термоэлектрическое (ТЭ) устройство [ править ]

Термоэлектрические устройства являются многообещающим кандидатом для управления тепловым режимом мощных светодиодов благодаря небольшому размеру и быстрому отклику. [8] TE устройство, состоящее из двух керамических пластин, может быть интегрировано в светодиод высокой мощности и регулировать температуру светодиода с помощью теплопроводящей изоляции и изоляции от электрического тока. [9] Поскольку керамические ТЕ-устройства имеют тенденцию иметь несоответствие коэффициента теплового расширения кремниевой подложке светодиода, были изобретены ТЕ-устройства на основе кремния, которые заменят традиционные керамические ТЕ-устройства. Кремний, обладающий более высокой теплопроводностью (149 Вт / (м · К)) по сравнению с оксидом алюминия (30 Вт / (м · К)), также делает характеристики охлаждения ТЕ-устройств на основе кремния лучше, чем традиционные керамические ТЕ-устройства.

Эффект охлаждения термоэлектрических материалов зависит от эффекта Пельтье. [10] Когда внешний ток применяется к цепи, состоящей из термоэлектрических блоков n-типа и p-типа, ток заставляет носители в термоэлектрических блоках перемещаться от одной стороны к другой. Когда носители перемещаются, тепло также течет вместе с носителями из одной стороны в другую. Поскольку направление теплопередачи зависит от приложенного тока, термоэлектрические материалы могут функционировать как охладитель с токами, которые перемещают носители с нагретой стороны на другую сторону.

Типичное ТЭ устройство на основе кремния имеет многослойную структуру. Термоэлектрические материалы зажаты между двумя подложками из материалов с высокой теплопроводностью. [11] Термоэлектрические блоки N-типа и p-типа подключаются последовательно последовательно в качестве промежуточного слоя. Когда светодиод высокой мощности генерирует тепло, оно сначала передается через верхнюю подложку к термоэлектрическим блокам. При приложенном внешнем токе тепло будет принудительно течь к нижней подложке через термоэлектрические блоки, так что температура мощного светодиода может быть стабильной.

Система жидкостного охлаждения [ править ]

Системы охлаждения, использующие жидкости, такие как жидкие металлы, вода и поток [12], также активно управляют температурой мощных светодиодов. Системы жидкостного охлаждения состоят из рабочего насоса, охлаждающей пластины и радиатора с вентиляторным охлаждением. [13] Тепло, выделяемое мощным светодиодом, сначала передается жидкостям через холодную пластину. Затем жидкости, приводимые в движение насосом, будут циркулировать в системе, поглощая тепло. Наконец, радиатор с вентиляторным охлаждением охлаждает нагретую жидкость для следующей циркуляции. Циркуляция жидкости регулирует температуру мощного светодиода.

См. Также [ править ]

  • Светодиодная лампа - твердотельное освещение (SSL)
  • Термическое сопротивление в электронике
  • Температурный менеджмент (электроника)
  • Активное охлаждение
  • Синтетическая струя

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Факт или вымысел - светодиоды не производят тепла» . 2005-05-10.
  2. ^ Мартин, Женевьева; Линнарц, Жан-Поль; Онушкин, Григорий; Алексеев, Антон (январь 2019). «Тепловое моделирование множественных источников тепла и переходный анализ светодиодов» . Энергии . 12 (10): 1860. DOI : 10,3390 / en12101860 .
  3. ^ «Понимание анализа срока службы светодиодов питания» (PDF) .
  4. ^ Алексеев, А .; Martin, G .; Онушкин, Г. (2018-08-01). «Динамическое тепловое компактное моделирование с множественными тепловыми путями для светодиодов в силиконовом корпусе». Надежность микроэлектроники . 87 : 89–96. DOI : 10.1016 / j.microrel.2018.05.014 . ISSN 0026-2714 . 
  5. ^ Стратегии интеграции тепловых трубок для светодиодных приложений
  6. ^ Светодиодное управление температурой
  7. ^ Дэн Паундс и Ричард В. Боннер III, «Тепловые трубки с высоким тепловым потоком, встроенные в печатные платы с металлическим сердечником для управления тепловым режимом светодиодов», Конференция IEEE Intersociety по тепловым и термомеханическим явлениям в электронных системах, 2014 г. 27-30, 2014
  8. Jen-Hau Cheng; Чун-Кай Лю; Ю-Линь Чао; Ра-Мин Тайн (июнь 2005 г.). «Охлаждающая способность кремниевого термоэлектрического устройства на светодиодах большой мощности». ICT 2005. 24-я Международная конференция по термоэлектричеству, 2005 .: 53–56. DOI : 10.1109 / ICT.2005.1519885 . ISBN 0-7803-9552-2.
  9. ^ Роу, DM (2018-12-07). CRC Справочник по термоэлектрике . CRC Press. ISBN 978-0-429-95667-6.
  10. ^ "Термоэлектрический эффект" , Википедия , 25 ноября 2019 г. , получено 26 ноября 2019 г.
  11. ^ Снайдер, Дж. Джеффри; Lim, James R .; Хуанг, Чен-Куо; Флериаль, Жан-Пьер (август 2003 г.). «Термоэлектрическое микроустройство, изготовленное с помощью электрохимического процесса, подобного МЭМС». Материалы природы . 2 (8): 528–531. Bibcode : 2003NatMa ... 2..528S . DOI : 10.1038 / nmat943 . ISSN 1476-4660 . PMID 12883550 .  
  12. ^ Кристенсен, Адам; Грэм, Сэмюэл (2009-02-01). «Тепловые эффекты в упаковке светодиодных матриц большой мощности». Прикладная теплотехника . 29 (2): 364–371. DOI : 10.1016 / j.applthermaleng.2008.03.019 . ISSN 1359-4311 . 
  13. ^ Дэн, Юэгуан; Лю, Цзин (01.08.2010). «Жидкометаллическая система охлаждения для управления тепловым режимом мощных светодиодов». Международные коммуникации в тепло- и массообмене . 37 (7): 788–791. DOI : 10.1016 / j.icheatmasstransfer.2010.04.011 . ISSN 0735-1933 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Управление температурным режимом светодиодов Cree® XLamp®
  • Светодиодное управление тепловым режимом
  • Управление температурой светодиодных модулей Osram Soleriq COB