Типовой комплект светодиодов, включающий конструкцию терморегулированияТепловая анимация мощной светодиодной лампочки размера A19, созданная с использованием программного обеспечения для анализа вычислительной гидродинамики (CFD) с высоким разрешением, демонстрирующая контуры радиатора светодиода и траектории потокаТепловая анимация конструкции радиатора светодиодного светильника направленного света PAR 64 высокой плотности, созданная с использованием программного обеспечения для анализа CFD высокого разрешения, показывающая контурную поверхность радиатора, а также внутренние и внешние траектории потоков.Типичная тепловая модель корпуса светодиода. Рассеивание мощности светодиода моделируется как источник тока; тепловое сопротивление моделируется как резистор; а температура окружающей среды моделируется как источник напряжения.
Мощные светодиоды (СИД) могут использовать 350 милливатт или более в одном светодиоде. Большая часть электричества в светодиоде превращается в тепло, а не в свет (около 70% тепла и 30% света). [1] Если это тепло не отводить, светодиоды работают при высоких температурах, что не только снижает их эффективность, но и делает светодиод менее надежным . Таким образом, управление температурой мощных светодиодов является важнейшей областью исследований и разработок. Необходимо ограничить как температуру перехода, так и температуру частиц люминофора до значения, которое будет гарантировать желаемый срок службы светодиода. [2] [3]
Тепловое управление — это универсальная проблема, связанная с плотностью мощности, которая возникает как при более высоких мощностях, так и в устройствах меньшего размера. Многие осветительные приборы хотят объединить высокий световой поток с чрезвычайно маленькой светоизлучающей подложкой, что делает проблемы с управлением питанием светодиодов особенно острыми.
Светодиодный модуль COB мощностью 80 Вт, встроенный в плату, от промышленного светильника, термически прикрепленный к радиатору.
Процедура теплопередачи
Чтобы поддерживать низкую температуру перехода для сохранения хорошей производительности светодиода , следует рассмотреть все методы отвода тепла от светодиодов. Проводимость , конвекция и излучение — три способа передачи тепла. Обычно светодиоды инкапсулируются в прозрачную смолу на основе полиуретана , которая является плохим проводником тепла . Почти все вырабатываемое тепло проводится через заднюю сторону чипа. [4] Тепло вырабатывается из p–n-перехода электрической энергией, которая не преобразуется в полезный свет и передается во внешнюю среду по длинному пути: от перехода к точке пайки , от точки пайки к плате и от платы к радиатору, а затем в атмосферу. На рисунках показан типичный вид сбоку светодиода и его тепловая модель.
Температура перехода будет ниже, если меньше тепловой импеданс и, аналогично, с более низкой температурой окружающей среды. Чтобы максимизировать полезный диапазон температур окружающей среды для заданной рассеиваемой мощности , общее тепловое сопротивление от перехода до окружающей среды должно быть минимизировано.
Значения теплового сопротивления сильно различаются в зависимости от поставщика материала или компонента. Например, R JC будет варьироваться от 2,6 °C/Вт до 18 °C/Вт в зависимости от производителя светодиода . Тепловое сопротивление материала теплового интерфейса (TIM) также будет варьироваться в зависимости от типа выбранного материала. Обычными TIM являются эпоксидная смола , термопаста, клей, чувствительный к давлению, и припой. Светодиоды высокой мощности часто монтируются на печатных платах с металлическим сердечником (MCPCB), которые крепятся к радиатору. Тепло, проводимое через MCPCB и радиатор, рассеивается за счет конвекции и излучения. В конструкции корпуса плоскостность поверхности и качество каждого компонента, приложенное монтажное давление , площадь контакта, тип материала интерфейса и его толщина являются важными параметрами для проектирования теплового сопротивления.
Пассивные тепловые конструкции
Некоторые соображения относительно пассивных тепловых конструкций, обеспечивающих хорошее управление тепловым режимом при работе светодиодов высокой мощности, включают:
Клей
Клей представляет собой теплопроводящий интерфейсный слой, [5] который обычно используется для склеивания светодиодов и плат, а также плат и радиаторов и дополнительно оптимизирует тепловые характеристики. Текущий коммерческий клей ограничен относительно низкой теплопроводностью ~1 Вт/(мК).
Радиатор
Радиаторы обеспечивают 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 применений светодиодов будет воздух) или излучение (передача тепла от двух тел с разной температурой поверхности посредством теплового излучения ).
Материал – Теплопроводность материала, из которого изготовлен радиатор, напрямую влияет на эффективность рассеивания через теплопроводность. Обычно это алюминий , хотя медь может использоваться с преимуществом для плоских листовых радиаторов. Новые материалы включают термопластики, которые используются, когда требования к рассеиванию тепла ниже обычных или сложная форма будет выгодна при литье под давлением, и природные графитовые растворы, которые обеспечивают лучшую теплопередачу, чем медь, с меньшим весом, чем алюминий, плюс возможность формоваться в сложные двумерные формы. Графит считается экзотическим решением для охлаждения и имеет более высокую стоимость производства. Тепловые трубки также могут быть добавлены к алюминиевым или медным радиаторам для снижения сопротивления распространению.
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 ребром и окружающим воздухом. Когда ребра расположены слишком близко друг к другу, воздух между ними может стать почти такой же температуры, как и ребра, так что теплопередача не будет происходить. Поэтому большее количество ребер не обязательно приводит к лучшей эффективности охлаждения.
Отделка поверхности – Тепловое излучение радиаторов является функцией отделки поверхности, особенно при более высоких температурах. Окрашенная поверхность будет иметь большую излучательную способность , чем яркая, неокрашенная. Эффект наиболее заметен в плоских радиаторах, где около трети тепла рассеивается излучением. Более того, идеально ровная контактная поверхность позволяет использовать более тонкий слой термопасты, что снизит тепловое сопротивление между радиатором и светодиодным источником. С другой стороны, анодирование или травление также снизят тепловое сопротивление.
Метод монтажа – Крепление радиатора с помощью винтов или пружин часто оказывается лучше, чем обычные зажимы, теплопроводящий клей или липкая лента.
Для теплопередачи между светодиодными источниками мощностью более 15 Вт и светодиодными охладителями рекомендуется использовать высокотеплопроводный интерфейсный материал (TIM), который создаст тепловое сопротивление на интерфейсе ниже 0,2 К/Вт. В настоящее время наиболее распространенным решением является использование фазоизменяющегося материала , который наносится в виде твердой прокладки при комнатной температуре, но затем превращается в густую желеобразную жидкость при повышении температуры выше 45 °C.
Тепловые трубки и паровые камеры
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 температурой светодиодов: [6]
Передача тепла к удаленному радиатору с минимальным падением температуры
Изотермализовать естественный конвекционный радиатор, увеличив его эффективность и уменьшив его размер. В одном случае добавление пяти тепловых трубок уменьшило массу радиатора на 34%, с 4,4 кг до 2,9 кг. [7]
Эффективно преобразует сильный тепловой поток непосредственно под светодиодом в слабый тепловой поток, который можно легче отвести. [8]
Печатная плата (ПП)
MCPCB – MCPCB (Metal Core PCB ) – это платы, которые включают в себя базовый металлический материал в качестве распределителя тепла как неотъемлемую часть печатной платы. Металлический сердечник обычно состоит из алюминиевого или медного сплава. Кроме того, MCPCB может использовать преимущество включения диэлектрического полимерного слоя с высокой теплопроводностью для более низкого теплового сопротивления.
Разделение — разделение схемы управления светодиодом и платы светодиода предотвращает повышение температуры перехода светодиода из-за тепла, выделяемого драйвером.
Система толстопленочных материалов
Аддитивный процесс – Толстая пленка – это селективный аддитивный процесс осаждения, который использует материал только там, где это необходимо. Обеспечивается более прямое соединение с алюминиевым радиатором; поэтому для построения схемы не требуется материал теплового интерфейса. Уменьшает слои распределения тепла и тепловой след. Сокращаются этапы обработки, а также количество материалов и объем потребляемых материалов.
Система изолированных алюминиевых материалов – увеличивает термическую 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 термического интерфейса . Благодаря улучшенной термической связи температура перехода светодиода может быть снижена до 10 °C. Это позволяет проектировщику либо уменьшить количество светодиодов, необходимых на плате, за счет увеличения мощности каждого светодиода; либо уменьшить размер подложки, чтобы справиться с размерными ограничениями. Также доказано, что снижение температуры перехода светодиода значительно увеличивает срок службы светодиода.
Тип упаковки
Flip chip – концепция похожа на flip-chip в конфигурации корпуса, широко используемой в промышленности кремниевых интегральных схем . Короче говоря, светодиодный кристалл собирается лицевой стороной вниз на подложке, которая обычно изготавливается из кремния или керамики , выступая в качестве распределителя тепла и поддерживающей подложки. Соединение flip-chip может быть эвтектическим , высокосвинцовым , бессвинцовым припоем или золотым штырем . Основной источник света исходит с задней стороны светодиодного чипа, и обычно между излучателем света и паяными соединениями имеется встроенный отражающий слой для отражения света, который излучается вниз. Несколько компаний приняли корпуса flip-chip для своих высокомощных светодиодов, достигая примерно 60% снижения теплового сопротивления светодиода при сохранении его тепловой надежности.
Светодиодная нить накаливания
Стиль светодиодной нити накаливания объединяет множество относительно маломощных светодиодов на прозрачной стеклянной подложке, покрытой фосфором, а затем инкапсулированной в силикон. Колба лампы заполнена инертным газом, который отводит тепло от расширенного массива светодиодов к оболочке лампы. Такая конструкция позволяет избежать необходимости в большом радиаторе.
Активные тепловые конструкции
Вот некоторые работы по использованию активных тепловых конструкций для реализации хорошего терморегулирования при работе светодиодов высокой мощности:
Термоэлектрическое (ТЭ) устройство
Термоэлектрические устройства являются перспективными кандидатами для теплового управления светодиодами высокой мощности благодаря небольшому размеру и быстрому отклику. [9] Устройство TE, изготовленное из двух керамических пластин, может быть интегрировано в светодиод высокой мощности и регулировать температуру светодиода с помощью теплопроводности и изоляции электрического тока. [10] Поскольку керамические устройства TE, как правило, имеют несоответствие коэффициента теплового расширения с кремниевой подложкой светодиода, были изобретены устройства TE на основе кремния для замены традиционных керамических устройств TE. Кремний, обладающий более высокой теплопроводностью (149 Вт/(м·К)) по сравнению с оксидом алюминия (30 Вт/(м·К)) также делает охлаждающую способность устройств TE на основе кремния лучше, чем традиционных керамических устройств TE.
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 будет заставлять носители в термоэлектрических блоках перемещаться с одной стороны на другую. Когда носители перемещаются, тепло также течет вместе с носителями с одной стороны на 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 кремниевое TE-устройство имеет сэндвич-структуру. Термоэлектрические материалы располагаются между двумя подложками, изготовленными из материалов с высокой теплопроводностью. [12] Термоэлектрические блоки n-типа и p-типа последовательно соединены в качестве среднего слоя. Когда мощный светодиод генерирует тепло, тепло сначала передается через верхнюю подложку к термоэлектрическим блокам. При подаче внешнего тока тепло затем принудительно перетекает на нижнюю подложку через термоэлектрические блоки, так что температура мощного светодиода может быть стабильной.
Система жидкостного охлаждения
Системы охлаждения, использующие жидкости, такие как жидкие металлы, вода и поток [13], также активно управляют температурой светодиодов высокой мощности. Системы жидкостного охлаждения состоят из приводного насоса, холодной пластины и радиатора с вентиляторным охлаждением. [14] Тепло, вырабатываемое светодиодом высокой мощности, сначала передается жидкостям через холодную пластину. Затем жидкости, приводимые в движение насосом, циркулируют в системе, поглощая тепло. Наконец, радиатор с вентиляторным охлаждением охлаждает нагретые жидкости для следующей циркуляции. Циркуляция жидкостей управляет температурой светодиода высокой мощности.
^ «Факт или вымысел — светодиоды не выделяют тепла». 2005-05-10.
^ Мартин, Женевьева; Линнарц, Жан-Поль; Онушкин, Григорий; Алексеев, Антон (январь 2019 г.). «Моделирование тепловых режимов с несколькими источниками тепла и анализ переходных процессов в светодиодах». Energies . 12 (10): 1860. doi : 10.3390/en12101860 .
^ "Понимание анализа срока службы светодиодов питания" (PDF) . 6 декабря 2018 г. . Получено 22 декабря 2021 г. .
^ Алексеев, А.; Мартин, Г.; Онушкин, Г. (2018-08-01). «Моделирование динамического теплового компактного моделирования множественных тепловых путей для светодиодов в силиконовой оболочке». Надежность микроэлектроники . 87 : 89–96. Bibcode :2018MiRe...87...89A. doi :10.1016/j.microrel.2018.05.014. ISSN 0026-2714. S2CID 51942748.
^ Cui, Ying; Qin, Zihao; Wu, Huan; Li, Man; Hu, Yongjie (2021). «Гибкий тепловой интерфейс на основе самоорганизующегося арсенида бора для высокопроизводительного терморегулирования». Nature Communications . 12 (1): 1284. Bibcode :2021NatCo..12.1284C. doi :10.1038/s41467-021-21531-7. PMC 7904764 . PMID 33627644. .
^ Стратегии интеграции тепловых трубок для светодиодных приложений
^ Управление тепловым режимом 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 года по тепловым и термомеханическим явлениям в электронных системах (ITherm), Орландо, Флорида, 27–30 мая 2014 г.
^ Jen-Hau Cheng; Chun-Kai Liu; Yu-Lin Chao; Ra-Min Tain (июнь 2005 г.). "Характеристики охлаждения термоэлектрического устройства на основе кремния на светодиодах высокой мощности". ICT 2005. 24-я Международная конференция по термоэлектрике, 2005 г. стр. 53–56. doi :10.1109/ICT.2005.1519885. ISBN0-7803-9552-2. S2CID 8190660.
^ "Термоэлектрический эффект", Wikipedia , 2019-11-25 , получено 2019-11-26
^ Снайдер, Г. Джеффри; Лим, Джеймс Р.; Хуан, Чэнь-Куо; Флериаль, Жан-Пьер (август 2003 г.). «Термоэлектрическое микроустройство, изготовленное с помощью электрохимического процесса, подобного МЭМС». Nature Materials . 2 (8): 528–531. Bibcode :2003NatMa...2..528S. doi :10.1038/nmat943. ISSN 1476-4660. PMID 12883550. S2CID 6287809.
^ Кристенсен, Адам; Грэм, Сэмюэл (2009-02-01). «Тепловые эффекты при упаковке массивов светодиодов высокой мощности». Applied Thermal Engineering . 29 (2): 364–371. Bibcode : 2009AppTE..29..364C. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2008.03.019. ISSN 1359-4311.
^ Дэн, Юэгуан; Лю, Цзин (2010-08-01). «Система охлаждения на основе жидкого металла для теплового управления светодиодами высокой мощности». Международные коммуникации по тепло- и массообмену . 37 (7): 788–791. Bibcode :2010ICHMT..37..788D. doi :10.1016/j.icheatmasstransfer.2010.04.011. ISSN 0735-1933.
