Температурный менеджмент мощных светодиодов - Thermal management of high-power LEDs

Типичный светодиодный корпус, включая дизайн управления температурой
Тепловая анимация мощной светодиодной лампы размером A19, созданная с использованием высокого разрешения вычислительная гидродинамика (CFD) программное обеспечение для анализа, показывающее контур радиатора светодиода и траектории потока
Тепловая анимация промышленного дизайна радиатора потолочного светильника PAR 64 с высокой плотностью мощности, созданная с использованием 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 (Светодиоды) можно использовать 350 милливатты 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 будут работать при высоких температурах, что не только снижает их эффективность, но и снижает нагрузку на светодиоды. надежный. Таким образом, терморегулирование светодиодов высокой мощности является важной областью исследований и разработок. Необходимо ограничить температуру перехода и частиц люминофора до значения, которое гарантирует желаемый срок службы светодиода.[2][3]

Встроенный светодиодный модуль COB мощностью 80 Вт от промышленного светильника, термически связанный с радиатором.

Процедура передачи тепла

Чтобы поддерживать низкий температура перехода сохранить хорошую производительность ВЕЛ необходимо учитывать все способы отвода тепла от светодиодов. Проведение, конвекция, и радиация являются тремя средствами передачи тепла. Обычно светодиоды заключены в прозрачный полиуретан -основан смола, что является плохим проводник тепла. Почти все выделяемое тепло проходит через тыльную сторону чипа.[4] Тепло выделяется p – n переход электрической энергией, которая не преобразовывалась в полезный свет и проводилась во внешнюю среду по длинному пути, от перекрестка до припаять точка, точка припоя к плате и плата к радиатор а затем в атмосферу. Типичный вид светодиода сбоку и его тепловая модель показаны на рисунках.

В 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 мощность диссипация, общая термическое сопротивление расстояние от стыка до окружающей среды должно быть минимальным.

Значения термического сопротивления широко варьируются в зависимости от материала или поставщика компонентов. Например, RJC будет варьироваться от 2,6 ° C / Вт до 18 ° C / Вт, в зависимости от ВЕЛ производитель. Материал термоинтерфейса (TIM) термическое сопротивление также будет варьироваться в зависимости от типа выбранного материала. Общие TIMs эпоксидная смола, термопаста, самоклеящийся клей и припой. Мощность Светодиоды часто устанавливаются на печатных платах с металлическим сердечником (MCPCB), которые крепятся к радиатору. Тепло, проходящее через MCPCB и радиатор, рассеивается за счет конвекции и излучения. В конструкции корпуса учитывается ровность поверхности и качество каждого компонента, применяется монтаж. давление, площадь контакта, тип материала интерфейса и его толщина - все это важные параметры для расчета теплового сопротивления.

Пассивные тепловые конструкции

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

Клей

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

Радиатор

Радиаторы обеспечить путь для тепла от источника светодиода к внешней среде. Радиаторы могут рассеивать мощность тремя способами: проводимость (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 радиация (передача тепла от двух тел с разной температурой поверхности через Тепловое излучение ).

  • Материал - Теплопроводность материала, из которого изготовлен радиатор, напрямую влияет на эффективность рассеивания за счет теплопроводности. Обычно это алюминий, несмотря на то что медь может 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 литьем под давлением, а также решения из природного графита, которые обеспечивают лучшую теплопередачу, чем медь, с меньшим весом, чем алюминий, плюс способность формировать сложные двумерные 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. Следовательно, радиаторы должны иметь большую площадь поверхности. Этой цели можно достичь, применив большое количество штрафных плавники или увеличив размер самого радиатора.

Хотя большая площадь поверхности приводит к лучшему охлаждению, между ребрами должно быть достаточно места, чтобы создать значительную разницу температур между ребрами и окружающим воздухом. Когда ребра стоят слишком близко друг к другу, воздух между ними может стать почти одинаковым. температура как ребра, так что передача тепла не происходит. Следовательно, большее количество ребер не обязательно приводит к лучшему охлаждению.

  • Чистота поверхности - Тепловое излучение радиаторов зависит от качества поверхности, особенно при более высоких температурах. Окрашенная поверхность будет иметь большую излучательная способность чем яркий, неокрашенный. Эффект наиболее заметен для плоских радиаторов, где около одной трети тепла рассеивается за счет излучения. Кроме того, идеально ровная контактная поверхность позволяет использовать более тонкий слой термопаста, что снижает термическое сопротивление между радиатором и источником светодиода. С другой стороны, анодирование или же травление также уменьшит тепловое сопротивление.
  • Способ 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 охладителями рекомендуется использовать материал интерфейса с высокой теплопроводностью (TIM), который будет создавать тепловое сопротивление на границе раздела ниже 0,2 К / Вт. В настоящее время наиболее распространенным решением является использование а 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

Тепловые трубы 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 падением температуры
  • Изотермизировать естественная конвекция радиатор, увеличивая его эффективность и уменьшая его 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 легче удалить.[7]

PCB (печатная плата)

  • MCPCB - MCPCB (металлический сердечник Печатная плата ) - это те платы, которые включают в себя основной металлический материал в качестве теплоотвода в качестве неотъемлемой части печатной платы. Металлический сердечник обычно состоит из алюминиевого сплава. Кроме того, MCPCB может воспользоваться преимуществами включения диэлектрик полимер слой с высоким теплопроводность для более низкого термического сопротивления.
  • Разделение - Отделение схемы возбуждения светодиодов от платы светодиодов предотвращает нагрев, выделяемый драйвером, для повышения температуры перехода светодиодов.

Система толстопленочных материалов

  • Аддитивный процесс – Толстая пленка представляет собой процесс селективного аддитивного осаждения, в котором материал используется только там, где он необходим. Предусмотрено более прямое подключение к алюминиевому радиатору; поэтому термоинтерфейс не нужен для построения схемы. Уменьшает теплоотводящие слои и тепловой след. Уменьшаются этапы обработки, 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 материалы термоинтерфейса. Благодаря улучшенной тепловой связи температура перехода светодиода может быть уменьшена до 10 ° C. Это позволяет разработчику либо уменьшить количество светодиодов, необходимых на плате, увеличив мощность каждого светодиода; или уменьшить размер подложки, чтобы справиться с ограничениями по размерам. Также доказано, что снижение температуры перехода светодиода значительно увеличивает срок его службы.

Тип упаковки

  • Перевернуть чип - Концепция похожа на флип-чип в конфигурации пакета широко используется в кремний Интегральная схема промышленность. Вкратце, светодиодный кристалл собирается лицевой стороной вниз на вспомогательном креплении, которое обычно кремниевое или керамика, действующий как теплораспределитель и поддерживающая подложка. Соединение Flip-Chip можно эвтектика, высоко-вести, без свинца припаять или же золото заглушка. Первичный источник света исходит от 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

В Светодиодная нить Стиль лампы сочетает в себе множество относительно маломощных светодиодов на прозрачной стеклянной подложке, покрытой люминофором, а затем залитой силиконом. Колба лампы заполнена инертным газом, который отводит тепло от расширенного ряда светодиодов к оболочке колбы. В такой конструкции не требуется большого радиатора.

Активные тепловые конструкции

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

Термоэлектрическое (ТЭ) устройство

Термоэлектрические устройства являются многообещающим кандидатом для управления тепловым режимом мощных светодиодов благодаря небольшим размерам и быстрому отклику.[8] Устройство TE, состоящее из двух керамических пластин, может быть интегрировано в светодиод высокой мощности и регулировать температуру светодиода за счет теплопроводности и изоляции от электрического тока.[9] Поскольку керамические TE-устройства имеют тенденцию иметь несовпадение коэффициента теплового расширения с кремниевой подложкой светодиода, были изобретены TE-устройства на основе кремния, которые заменят традиционные керамические TE-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 с одной стороны на другую. Когда носители перемещаются, тепло также течет вместе с носителями из одной стороны в другую. Поскольку направление теплопередачи зависит от приложенного тока, термоэлектрические материалы могут работать 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 включены последовательно последовательно в качестве среднего 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

Системы охлаждения с использованием жидкостей, таких как жидкие металлы, вода и струи[12] также активно управлять температурой светодиодов высокой мощности. Системы жидкостного охлаждения состоят из приводного 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 светодиода высокой мощности.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Факт или вымысел - светодиоды не выделяют тепло». 2005-05-10.
  2. ^ Мартин, Женевьева; Линнарц, Жан-Поль; Онушкин, Григорий; Алексеев, Антон (январь 2019). «Тепловое моделирование нескольких источников тепла и переходный анализ светодиодов». Энергии. 12 (10): 1860. Дои: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. Дои: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», Межобщественная конференция IEEE 2014 года по тепловым и термомеханическим явлениям в электронных системах (ITherm), Орландо, Флорида, 27 мая -30, 2014 г.
  8. ^ Джен-Хау Ченг; Чун-Кай Лю; Ю-Линь Чао; Ра-Мин Тайн (июнь 2005 г.). «Охлаждающая способность термоэлектрического устройства на основе кремния на светодиодах большой мощности». ICT 2005. 24-я Международная конференция по термоэлектричеству, 2005.: 53–56. Дои:10.1109 / ICT.2005.1519885. ISBN  0-7803-9552-2.
  9. ^ Роу, Д. М. (07.12.2018). Справочник по термоэлектрикам CRC. CRC Press. ISBN  978-0-429-95667-6.
  10. ^ «Термоэлектрический эффект», Википедия, 2019-11-25, получено 2019-11-26
  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:2003НатМа ... 2..528С. Дои:10.1038 / nmat943. ISSN  1476-4660. PMID  12883550.
  12. ^ Кристенсен, Адам; Грэм, Сэмюэл (01.02.2009). «Тепловые эффекты в упаковке массивов светодиодов большой мощности». Прикладная теплотехника. 29 (2): 364–371. Дои: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 светодиодов большой мощности». Международные коммуникации в тепло- и массообмене. 37 (7): 788–791. Дои:10.1016 / j.icheatmasstransfer.2010.04.011. ISSN  0735-1933.

внешняя ссылка