Управление температурой мощных светодиодов

Светодиоды высокой мощности (СИД) могут потреблять 350 милливатт и более в одном светодиоде. Большая часть электроэнергии в светодиоде становится теплом, а не светом (около 70% тепла и 30% света). ^[1] Если это тепло не отводить, светодиоды будут работать при высоких температурах, что не только снижает их эффективность, но и делает светодиод менее надежным . Таким образом, управление температурным режимом мощных светодиодов является важнейшей областью исследований и разработок. Необходимо ограничить температуру перехода и частиц люминофора до значения, которое будет гарантировать желаемый срок службы светодиода. ^[2]^[3]

Управление температурным режимом — универсальная проблема, связанная с плотностью мощности, которая возникает как при более высоких мощностях, так и в устройствах меньшего размера. Многие осветительные приложения хотят сочетать высокий световой поток с чрезвычайно малой светоизлучающей подложкой, что приводит к тому, что проблемы с управлением питанием светодиодов становятся особенно острыми.

Процедура теплопередачи

Чтобы поддерживать низкую температуру перехода и поддерживать хорошую производительность светодиода , следует рассмотреть все методы отвода тепла от светодиодов. Проводимость , конвекция и излучение — три способа передачи тепла. Обычно светодиоды заключены в прозрачную полиуретана на основе смолу , которая является плохим проводником тепла . Почти все выделяемое тепло передается через заднюю сторону чипа. ^[4] Тепло генерируется в p-n-переходе электрической энергией, которая не была преобразована в полезный свет и передается во внешнюю среду по длинному пути: от перехода к точке пайки , от точки пайки к плате, от платы к радиатору, а затем к атмосфера. Типичный вид сбоку светодиода и его тепловая модель показаны на рисунках.

Температура перехода будет ниже, если тепловой импеданс меньше, а также при более низкой температуре окружающей среды. Чтобы максимизировать полезный диапазон температур окружающей среды для заданной рассеиваемой мощности , общее тепловое сопротивление между переходом и окружающей средой должно быть минимизировано.

Значения термического сопротивления широко варьируются в зависимости от поставщика материала или компонентов. Например, R _JC будет находиться в диапазоне от 2,6 °C/Вт до 18 °C/Вт, в зависимости от производителя светодиодов . Термическое материала термоинтерфейса (TIM) сопротивление также будет варьироваться в зависимости от типа выбранного материала. Обычными TIM являются эпоксидная смола , термопаста, самоклеящийся клей и припой. питания Светодиоды часто монтируются 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 важными параметрами проектирования термостойкости являются плоскостность поверхности и качество каждого компонента, приложенное монтажное давление , площадь контакта, тип материала интерфейса и его толщина.

Пассивные тепловые конструкции

Некоторые соображения по поводу пассивных тепловых конструкций для обеспечения хорошего управления температурным режимом при работе мощных светодиодов включают в себя:

Клей

Клей представляет собой теплопроводный интерфейсный слой, ^[5] который обычно используется для соединения светодиодов и платы, а также платы и радиаторов и дополнительно оптимизирует тепловые характеристики. Современные коммерческие клеи ограничены относительно низкой теплопроводностью ~ 1 Вт/(мК).

Радиатор

Радиаторы обеспечивают путь тепла от светодиодного источника к внешней среде. Радиаторы могут рассеивать мощность тремя способами: проводимостью (перенос тепла от одного твердого тела к другому), конвекцией (передача тепла от твердого тела к движущейся жидкости, которой в большинстве случаев применения светодиодов является воздух) или излучением (передача тепла от двух тел). различной температуры поверхности за счет теплового излучения ).

Материал . Теплопроводность материала, из которого изготовлен радиатор, напрямую влияет на эффективность рассеивания за счет проводимости. Обычно это алюминий , хотя медь для плоских радиаторов можно использовать . Новые материалы включают термопласты, которые используются, когда требования к рассеиванию тепла ниже, чем обычно, или когда литье под давлением дает преимущество сложной формы, а также растворы из натурального графита, которые обеспечивают лучшую теплопередачу, чем медь, с меньшим весом, чем алюминий, а также способностью формоваться в сложные формы. двумерные формы. Графит считается экзотическим решением для охлаждения, и его производство обходится дороже. Тепловые трубки также могут быть добавлены к алюминиевым или медным радиаторам, чтобы уменьшить сопротивление растеканию.
Форма . Теплопередача происходит на поверхности радиатора. Поэтому радиаторы должны быть спроектированы так, чтобы иметь большую площадь поверхности. Этой цели можно достичь, используя большое количество тонких ребер или увеличивая размер самого радиатора.

Хотя большая площадь поверхности приводит к лучшей эффективности охлаждения, между ребрами должно быть достаточно места, чтобы создать значительную разницу температур между ребрами и окружающим воздухом. Когда ребра расположены слишком близко друг к другу, воздух между ними может иметь почти ту же температуру, что и ребра, поэтому передача тепла не произойдет. Таким образом, большее количество ребер не обязательно приводит к улучшению эффективности охлаждения.

Отделка поверхности . Тепловое излучение радиаторов является функцией обработки поверхности, особенно при более высоких температурах. Окрашенная поверхность будет иметь большую излучательную способность , чем яркая неокрашенная. Эффект наиболее заметен при использовании плоских радиаторов, где около трети тепла рассеивается за счет излучения. Более того, идеально ровная поверхность контакта позволяет использовать более тонкий слой термопасты, что снизит тепловое сопротивление между радиатором и светодиодным источником. С другой стороны, анодирование или травление также уменьшают термическое сопротивление.
Способ крепления . Крепление радиатора с помощью винтов или пружин зачастую лучше, чем обычные зажимы, теплопроводящий клей или липкая лента.

Для передачи тепла между светодиодными источниками мощностью более 15 Вт и светодиодными охладителями рекомендуется использовать интерфейсный материал с высокой теплопроводностью (TIM), который создаст термическое сопротивление на интерфейсе ниже 0,2 К/Вт. В настоящее время наиболее распространенным решением является использование материала с фазовым переходом , который наносится в виде твердой подушечки при комнатной температуре, но затем превращается в густую студенистую жидкость, когда ее температура поднимается выше 45 °C.

Тепловые трубки и паровые камеры

Тепловые трубы и паровые камеры пассивны и имеют эффективную теплопроводность в диапазоне от 10 000 до 100 000 Вт/м К. Они могут обеспечить следующие преимущества в управлении теплом светодиодов: ^[6]

Передача тепла к удаленному радиатору с минимальным перепадом температуры
Изотермизируйте радиатор с естественной конвекцией , повысив его эффективность и уменьшив размер. В одном случае добавление пяти тепловых трубок уменьшило массу радиатора на 34%, с 4,4 кг до 2,9 кг. ^[7]
Эффективно преобразуйте высокий тепловой поток непосредственно под светодиодом в более низкий тепловой поток, который можно легче удалить. ^[8]

PCB (печатная плата)

MCPCB – MCPCB ( PCB с металлическим сердечником ) – это те платы, которые включают в себя материал из недрагоценного металла в качестве распределителя тепла в качестве неотъемлемой части печатной платы. Металлический сердечник обычно состоит из алюминия или медного сплава. Кроме того, MCPCB может использовать преимущества включения слоя диэлектрического полимера с высокой теплопроводностью для снижения термического сопротивления.
Разделение . Отделение схемы привода светодиодов от платы светодиодов предотвращает повышение температуры перехода светодиодов из-за тепла, выделяемого драйвером.

Система толстопленочных материалов

Аддитивный процесс . Толстая пленка — это процесс селективного осаждения добавок, при котором материал используется только там, где это необходимо. Обеспечивается более прямое соединение с алюминиевым радиатором; поэтому материал термоинтерфейса не требуется для построения схемы. Уменьшает слои распространения тепла и тепловой след. Сокращаются этапы обработки, 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 менее 600 °C. Схемы строятся непосредственно на алюминиевых подложках, что устраняет необходимость в материалах термоинтерфейса . Благодаря улучшенному тепловому соединению температура перехода светодиода может быть снижена до 10 °C. Это позволяет разработчику либо уменьшить количество светодиодов, необходимых на плате, за счет увеличения мощности каждого светодиода; или уменьшите размер подложки, чтобы справиться с размерными ограничениями. Также доказано, что снижение температуры перехода светодиода значительно увеличивает срок его службы.

Тип упаковки

Перевернутый чип . Концепция по конфигурации корпуса аналогична перевернутому чипу, широко используемому в индустрии кремниевых интегральных схем . Короче говоря, светодиодный кристалл собирается лицевой стороной вниз на вспомогательном креплении, которое обычно изготавливается из кремния или керамики и действует как рассеиватель тепла и поддерживающая подложка. Соединение флип-чипа может быть выполнено из эвтектического припоя , с высоким содержанием свинца , бессвинцового припоя или золотого шлейфа . Основной источник света исходит от задней стороны светодиодного чипа, и между излучателем света и паяными соединениями обычно имеется встроенный отражающий слой, отражающий свет, излучаемый вниз. Несколько компаний внедрили корпусы с флип-чипом для своих мощных светодиодов, добившись снижения теплового сопротивления светодиода примерно на 60% при сохранении его тепловой надежности.

светодиодная нить

Светодиодная лампа накаливания сочетает в себе множество светодиодов относительно малой мощности на прозрачной стеклянной подложке, покрытой люминофором, а затем герметизированной силиконом. Колба лампы заполнена инертным газом, который отводит тепло от расширенного массива светодиодов к оболочке лампы. Такая конструкция позволяет избежать необходимости использования большого радиатора.

Активные тепловые конструкции

Некоторые работы по использованию активных тепловых схем для реализации хорошего управления температурным режимом при работе мощных светодиодов включают:

Термоэлектрическое (ТЭ) устройство

Термоэлектрические устройства являются многообещающим кандидатом для терморегулирования мощных светодиодов благодаря небольшому размеру и быстрому реагированию. ^[9] Устройство TE, состоящее из двух керамических пластин, можно интегрировать в мощный светодиод и регулировать температуру светодиода с помощью теплопроводности и изоляции электрического тока. ^[10] Поскольку керамические ТЭ-устройства имеют тенденцию не соответствовать коэффициенту теплового расширения кремниевой подложки светодиода, были изобретены ТЭ-устройства на основе кремния, чтобы заменить традиционные керамические ТЭ-устройства. Кремний, обладающий более высокой теплопроводностью (149 Вт/(м·К)) по сравнению с оксидом алюминия (30 Вт/(м·К)) также делает эффективность охлаждения ТЭ-устройств на основе кремния лучше, чем у традиционных керамических ТЭ-устройств.

Охлаждающий эффект термоэлектрических материалов зависит от эффекта Пельтье. ^[11] Когда внешний ток подается на цепь, состоящую из термоэлектрических блоков n-типа и p-типа, ток заставляет носители в термоэлектрических блоках перемещаться с одной стороны на другую. При движении носителей тепло также перетекает вместе с носителями с одной стороны на другую. Поскольку направление теплопередачи зависит от приложенного тока, термоэлектрические материалы могут действовать как охладитель с токами, которые перемещают носители с нагретой стороны на другую сторону.

Типичное ТЭ-устройство на основе кремния имеет сэндвич-структуру. Термоэлектрические материалы помещены между двумя подложками, изготовленными из материалов с высокой теплопроводностью. ^[12] Термоэлектрические блоки N-типа и p-типа соединены последовательно последовательно в качестве среднего слоя. Когда мощный светодиод генерирует тепло, оно сначала передается через верхнюю подложку к термоэлектрическим блокам. При подаче внешнего тока тепло будет вынуждено течь к нижней подложке через термоэлектрические блоки, так что температура мощного светодиода может быть стабильной.

Система жидкостного охлаждения

Системы охлаждения, использующие такие жидкости, как жидкие металлы, вода и потоки. ^[13] также активно управлять температурой светодиодов высокой мощности. Системы жидкостного охлаждения состоят из приводного насоса, охлаждающей пластины и радиатора с вентиляторным охлаждением. ^[14] 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 будет охлаждать нагретые жидкости для следующей циркуляции. Циркуляция жидкостей управляет температурой мощного светодиода.

См. также

Ссылки

^ «Факт или вымысел – светодиоды не выделяют тепло» . 10 мая 2005 г.
^ Мартин, Женевьева; Линнарц, Жан-Поль; Онушкин, Григорий; Алексеев, Антон (январь 2019 г.). «Термическое моделирование с несколькими источниками тепла и анализ переходных процессов светодиодов» . Энергии . 12 (10): 1860. doi : 10.3390/en12101860 .
^ «Понимание анализа срока службы светодиодов питания» (PDF) . 6 декабря 2018 года . Проверено 22 декабря 2021 г.
^ Алексеев А.; Мартин, Г.; Онушкин, Г. (01.08.2018). «Динамическое тепловое компактное моделирование с несколькими путями нагрева для светодиодов в силиконовой капсуле». Надежность микроэлектроники . 87 : 89–96. дои : 10.1016/j.microrel.2018.05.014 . ISSN 0026-2714 . S2CID 51942748 .
^ Цуй, Ин; Цинь, Цзихао; Ву, Хуан; Ли, Мужчина; Ху, Юнцзе (2021). «Гибкий термоинтерфейс на основе самоорганизующегося арсенида бора для высокоэффективного терморегулирования» . Природные коммуникации . 12 (1): 1284. Бибкод : 2021NatCo..12.1284C . дои : 10.1038/s41467-021-21531-7 . ПМЦ 7904764 . ПМИД 33627644 . .
^ Стратегии интеграции тепловых трубок для светодиодных приложений
^ Управление температурой светодиодов
^ Дэн Паундс и Ричард В. Боннер III, «Тепловые трубки с высоким тепловым потоком, встроенные в печатные платы с металлическим сердечником для управления температурой светодиодов», Межобщественная конференция IEEE 2014 г. по термическим и термомеханическим явлениям в электронных системах (ITherm), Орландо, Флорида, май 27-30, 2014 г.
^ Джен-Хау Ченг; Чун-Кай Лю; Ю-Лин Чао; Ра-Мин Тайн (июнь 2005 г.). «Характеристика охлаждения термоэлектрического устройства на основе кремния на мощном светодиоде». ИКТ 2005. 24-я Международная конференция по термоэлектрике, 2005 г. стр. 53–56. дои : 10.1109/ICT.2005.1519885 . ISBN 0-7803-9552-2 . S2CID 8190660 .
^ Роу, DM (07 декабря 2018 г.). Справочник CRC по термоэлектрике . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-429-95667-6 .
^ «Термоэлектрический эффект» , Arc.Ask3.Ru , 25 ноября 2019 г. , получено 26 ноября 2019 г.
^ Снайдер, Дж. Джеффри; Лим, Джеймс Р.; Хуан, Чен-Го; Флериаль, Жан-Пьер (август 2003 г.). «Термоэлектрическое микроустройство, изготовленное с помощью электрохимического процесса, подобного МЭМС». Природные материалы . 2 (8): 528–531. Бибкод : 2003NatMa...2..528S . дои : 10.1038/nmat943 . ISSN 1476-4660 . ПМИД 12883550 . S2CID 6287809 .
^ Кристенсен, Адам; Грэм, Сэмюэл (1 февраля 2009 г.). «Тепловые эффекты при упаковке мощных светодиодных матриц». Прикладная теплотехника . 29 (2): 364–371. Бибкод : 2009AppTE..29..364C . doi : 10.1016/j.applthermaleng.2008.03.019 . ISSN 1359-4311 .
^ Дэн, Юэгуан; Лю, Цзин (01 августа 2010 г.). «Жидкометаллическая система охлаждения для терморегулирования мощных светодиодов». Международные сообщения в области тепломассообмена . 37 (7): 788–791. doi : 10.1016/j.icheatmasstransfer.2010.04.011 . ISSN 0735-1933 .

Внешние ссылки

[1] «Факт или вымысел – светодиоды не выделяют тепло» . 10 мая 2005 г.

[2] Мартин, Женевьева; Линнарц, Жан-Поль; Онушкин, Григорий; Алексеев, Антон (январь 2019 г.). «Термическое моделирование с несколькими источниками тепла и анализ переходных процессов светодиодов» . Энергии . 12 (10): 1860. doi : 10.3390/en12101860 .

[3] «Понимание анализа срока службы светодиодов питания» (PDF) . 6 декабря 2018 года . Проверено 22 декабря 2021 г.

[4] Алексеев А.; Мартин, Г.; Онушкин, Г. (01.08.2018). «Динамическое тепловое компактное моделирование с несколькими путями нагрева для светодиодов в силиконовой капсуле». Надежность микроэлектроники . 87 : 89–96. дои : 10.1016/j.microrel.2018.05.014 . ISSN 0026-2714 . S2CID 51942748 .

[5] Цуй, Ин; Цинь, Цзихао; Ву, Хуан; Ли, Мужчина; Ху, Юнцзе (2021). «Гибкий термоинтерфейс на основе самоорганизующегося арсенида бора для высокоэффективного терморегулирования» . Природные коммуникации . 12 (1): 1284. Бибкод : 2021NatCo..12.1284C . дои : 10.1038/s41467-021-21531-7 . ПМЦ 7904764 . ПМИД 33627644 . .

[6] Стратегии интеграции тепловых трубок для светодиодных приложений

[7] Управление температурой светодиодов

[8] Дэн Паундс и Ричард В. Боннер III, «Тепловые трубки с высоким тепловым потоком, встроенные в печатные платы с металлическим сердечником для управления температурой светодиодов», Межобщественная конференция IEEE 2014 г. по термическим и термомеханическим явлениям в электронных системах (ITherm), Орландо, Флорида, май 27-30, 2014 г.

[9] Джен-Хау Ченг; Чун-Кай Лю; Ю-Лин Чао; Ра-Мин Тайн (июнь 2005 г.). «Характеристика охлаждения термоэлектрического устройства на основе кремния на мощном светодиоде». ИКТ 2005. 24-я Международная конференция по термоэлектрике, 2005 г. стр. 53–56. дои : 10.1109/ICT.2005.1519885 . ISBN 0-7803-9552-2 . S2CID 8190660 .

[10] Роу, DM (07 декабря 2018 г.). Справочник CRC по термоэлектрике . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-429-95667-6 .

[11] «Термоэлектрический эффект» , Arc.Ask3.Ru , 25 ноября 2019 г. , получено 26 ноября 2019 г.

[12] Снайдер, Дж. Джеффри; Лим, Джеймс Р.; Хуан, Чен-Го; Флериаль, Жан-Пьер (август 2003 г.). «Термоэлектрическое микроустройство, изготовленное с помощью электрохимического процесса, подобного МЭМС». Природные материалы . 2 (8): 528–531. Бибкод : 2003NatMa...2..528S . дои : 10.1038/nmat943 . ISSN 1476-4660 . ПМИД 12883550 . S2CID 6287809 .

[13] Кристенсен, Адам; Грэм, Сэмюэл (1 февраля 2009 г.). «Тепловые эффекты при упаковке мощных светодиодных матриц». Прикладная теплотехника . 29 (2): 364–371. Бибкод : 2009AppTE..29..364C . doi : 10.1016/j.applthermaleng.2008.03.019 . ISSN 1359-4311 .

[14] Дэн, Юэгуан; Лю, Цзин (01 августа 2010 г.). «Жидкометаллическая система охлаждения для терморегулирования мощных светодиодов». Международные сообщения в области тепломассообмена . 37 (7): 788–791. doi : 10.1016/j.icheatmasstransfer.2010.04.011 . ISSN 0735-1933 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]