Metoda i materiał chłodzący LED

Początkowe jednoukładowe diody LED nie były bardzo mocne, miały ograniczone wytwarzanie ciepła i miały niewielkie problemy cieplne, więc opakowanie było względnie proste. Jednak dzięki ciągłemu przełomowi technologii materiałów LED w ostatnich latach zmieniła się również technologia opakowań LED. Począwszy od wczesnego pakietu jednoprocesorowego typu pistoletowego, stopniowo przekształcił się w płaski, wieloukładowy, wieloukładowy moduł pakietu; jego prąd roboczy pochodzi z początku 20mA. Diody LED małej mocy z lewej i prawej strony zostały przesunięte do obecnych diod LED wysokiej mocy o wartości od 1/3 do 1A. Moc wejściowa pojedynczej diody LED wynosi 1W lub więcej, a nawet tryby opakowania 3W i 5W są bardziej rozwinięte.

Ponieważ problem z wysoką temperaturą spowodowany przez system LED o wysokiej jasności i dużej mocy będzie kluczem do wpływu na działanie produktu, aby szybko rozładować ciepło generowane przez komponent LED do otoczenia, należy zacząć od zarządzanie termiczne poziomu pakietu (L1 i L2). Obecnie praktyką przemysłową jest redukcja impedancji cieplnej modułu opakowania przez rozpraszacz ciepła poprzez lutowanie chipa LED za pomocą lutowia lub pasty termicznej na rozpraszaczu ciepła.

Wiele aplikacji terminalowych, takich jak mini projektory, źródła samochodowe i oświetleniowe, wymaga ponad tysiąca lumenów lub dziesiątek tysięcy lumenów dla danego obszaru. Moduły z jednym chipem są wyraźnie niewystarczające. Przejście do wieloukładowego pakietu diod LED i bezpośrednie połączenie chipa z podłożem to przyszły trend rozwojowy.

Problem rozpraszania ciepła jest główną przeszkodą w rozwoju diod LED dla obiektów oświetleniowych. Zastosowanie rur ceramicznych lub cieplnych jest skutecznym sposobem zapobiegania przegrzaniu. Jednak rozwiązanie do zarządzania ciepłem zwiększa koszt materiałów. Celem projektu zarządzania energią LED o dużej mocy jest skuteczne zredukowanie złącza R do jednego z rozwiązań opartych na materiałach, które zapewniają odprowadzanie ciepła z chipa, zapewniając niską rezystancję termiczną, ale wysoką przewodność, umożliwiającą bezpośrednie przenoszenie ciepła od chipu poprzez metody die attach lub hot-metal. Na zewnątrz obudowy opakowania.

Oczywiście, elementy rozpraszania ciepła diod LED są podobne do rozpraszania ciepła przez procesory. Są to głównie chłodzone powietrzem moduły składające się z radiatorów, rur grzewczych, wentylatorów i materiałów termicznych. Oczywiście chłodzenie wodą jest również jednym z termicznych środków zaradczych. W obecnie najgorętszym dużym module podświetlenia LED TV 40-calowe i 46-calowe podświetlenie LED ma moc wejściową odpowiednio 470 W i 550 W, z czego 80% jest zamieniane na ciepło, a wymagane odprowadzanie ciepła wynosi około 360 W i 440 W lub tak.

Więc jak odbierasz to ciepło? Obecnie istnieją metody chłodzenia wodą w branży, ale istnieją wątpliwości co do wysokiej ceny jednostkowej i niezawodności. Przydatne jest również używanie rur grzewczych z radiatorami i wentylatorami do chłodzenia.

Metoda rozpraszania ciepła

Ogólnie rzecz biorąc, radiator można podzielić na aktywny radiator i pasywny radiator w zależności od sposobu odprowadzania ciepła z radiatora. Tak zwane pasywne rozpraszanie ciepła oznacza, że ciepło źródła światła LED źródła ciepła jest naturalnie emitowane do powietrza przez radiator, a efekt rozpraszania ciepła jest proporcjonalny do wielkości radiatora, ale z powodu naturalnego ciepła rozpraszanie, efekt jest oczywiście znacznie zmniejszony i jest często stosowany w tych przestrzeniach kosmicznych. W sprzęcie, który nie jest wymagany, lub używany do rozpraszania ciepła w przypadku komponentów, które generują mniej ciepła. Na przykład niektóre popularne płyty główne również przyjmują pasywne rozpraszanie ciepła na północnym moście. Większość z nich przyjmuje aktywne odprowadzanie ciepła. Aktywne odprowadzanie ciepła jest wymuszane przez radiatory, takie jak wentylatory. Ciepło emitowane przez radiator jest odbierane, co charakteryzuje się wysoką wydajnością rozpraszania ciepła i niewielkim rozmiarem urządzenia.

Aktywne odprowadzanie ciepła, podzielone na części metodą rozpraszania ciepła, można podzielić na: chłodzenie powietrzem, chłodzenie cieczą, chłodzenie rurą cieplną, chłodzenie półprzewodników, chłodzenie chemiczne i tak dalej.

Chłodzone powietrzem ciepło chłodzone powietrzem jest najbardziej rozpowszechnioną formą rozpraszania ciepła, a w porównaniu z nim jest tańsze. Chłodzenie powietrzem jest zasadniczo wentylatorem, który odbiera ciepło pochłonięte przez radiator. Ma zalety relatywnie niskiej ceny i wygodnej instalacji. Jest on jednak w dużym stopniu zależny od środowiska, na przykład od wzrostu temperatury i wydajności przegrzania.

Chłodzenie cieczą

Ciekłe ciepło chłodzące jest wymuszane do obiegu ciepła grzejnika przez pompę pod wpływem napędu pompy. W porównaniu z chłodzeniem powietrznym ma zalety: cisza, stabilna stabilność temperatury i niskie uzależnienie od środowiska. Cena chłodzenia cieczą jest stosunkowo wysoka, a instalacja jest stosunkowo uciążliwa. Jednocześnie zainstaluj go jak najwięcej zgodnie z instrukcjami w instrukcji, aby uzyskać jak najlepsze odprowadzanie ciepła. Ze względu na koszt i łatwość użytkowania, rozpraszanie ciepła przez chłodzenie cieczą zwykle wykorzystuje wodę jako ciecz przenoszącą ciepło, tak że chłodzone cieczą radiatory są często określane jako chłodzone wodą radiatory.

Przewód ciepła

Rura cieplna należy do elementu przenoszącego ciepło, który w pełni wykorzystuje zasadę przewodzenia ciepła i szybką właściwość przenoszenia ciepła przez czynnik chłodniczy, i przenosi ciepło przez odparowanie i kondensację cieczy w całkowicie zamkniętej rurce próżniowej i ma ekstremalnie wysoką wartość przewodność cieplna i dobra temperatura izotermiczna. Obszar wymiany ciepła po obu stronach gorących i zimnych stron może być dowolnie zmieniany, transfer ciepła może być długotrwały, temperatura może być kontrolowana, i tym podobne, a wymiennik ciepła złożony z rury grzewczej ma wysoką sprawność wymiany ciepła , zwarta budowa, mały opór płynu, itp. przewaga. Jego przewodnictwo cieplne znacznie przewyższa przewodność cieplną dowolnego znanego metalu.

Półprzewodnikowe chłodzenie

Półprzewodnikowe chłodzenie wykorzystuje specjalny półprzewodnikowy układ chłodniczy do generowania różnicy temperatur dla chłodzenia przy zasilaniu energią. Dopóki ciepło na końcu wysokiej temperatury może być skutecznie rozpraszane, koniec niskotemperaturowy jest stale chłodzony. Różnica temperatur jest generowana na każdej z cząstek półprzewodnikowych, a arkusz chłodzący jest tworzony przez połączenie kilkudziesięciu takich cząstek w szeregu w celu utworzenia różnicy temperatur na obu powierzchniach arkusza czynnika chłodniczego. Stosując to zjawisko różnicy temperatur, chłodzenie powietrzem / chłodzeniem wodnym można wykorzystać do schłodzenia końca wysokiej temperatury i można uzyskać doskonały efekt rozpraszania ciepła. Półprzewodnikowe chłodzenie ma zalety niskiej temperatury chłodzenia i wysokiej niezawodności. Temperatura zimnej powierzchni może osiągać poniżej 10 ° C, ale koszt jest zbyt wysoki i może powodować zwarcie z powodu niskiej temperatury. Teraz proces półprzewodnikowej folii chłodniczej nie jest wystarczająco dojrzały. praktyczny.

Chłodzenie chemiczne

Tak zwane chemiczne chłodzenie polega na stosowaniu chemikaliów o bardzo niskiej temperaturze, które wykorzystują je do pochłaniania dużej ilości ciepła podczas topienia w celu obniżenia temperatury. W tym przypadku częściej stosuje się suchy lód i ciekły azot. Na przykład użycie suchego lodu może obniżyć temperaturę do minus 20 ° C, a niektórzy bardziej "zdemoralizowani" gracze używają ciekłego azotu do obniżenia temperatury procesora poniżej minus 100 ° C (teoretycznie), oczywiście ze względu na wysoką cenę i krótki czas, te metody są bardziej powszechne w laboratoryjnych lub ekstremalnych entuzjastów przetaktowywania.

Wybór materiału

Współczynnik przenikania ciepła (jednostka: W / mK)

Srebro 429

Miedź 401

Złoto 317

Aluminium 237

Żelazo 80

Ołów 34.8

1070 stop aluminium 226

1050 stopu aluminium 209

Stop aluminium typu 6063 201

Stop aluminium typu 6061 155

Ogólnie rzecz biorąc, zwykłe chłodnice z chłodzeniem powietrznym naturalnie wybierają metal jako materiał grzejnika. W przypadku wybranych materiałów pożądane jest zarówno wysokie ciepło właściwe, jak i wysokie przewodnictwo cieplne. Z powyższego, srebro i miedź są najlepszymi materiałami termicznymi, a następnie złotem i aluminium. Jednak złoto i srebro są zbyt drogie, więc obecny radiator jest wykonany głównie z aluminium i miedzi. Dla porównania, zarówno miedź, jak i aluminium mają swoje zalety i wady: miedź ma dobrą przewodność cieplną, ale cena jest stosunkowo droga, obróbka jest trudna, waga jest zbyt duża, a pojemność cieplna miedzianego radiatora jest mała i łatwo się utlenia. . Z drugiej strony, czyste aluminium jest zbyt miękkie, aby można go było użyć bezpośrednio. Zastosowany stop aluminium może zapewnić wystarczającą twardość. Zaletą stopu aluminium jest to, że jest tani i lekki, ale przewodność cieplna jest znacznie gorsza niż miedzi. Dlatego w historii rozwoju grzejnika pojawiły się następujące materiały:

Czysty grzejnik aluminiowy

Grzejniki z czystego aluminium są najczęstszymi grzejnikami na początku. Proces produkcyjny jest prosty, a koszty niskie. Dotychczas czysto aluminiowe grzejniki nadal zajmują znaczną część rynku. W celu zwiększenia powierzchni rozpraszania ciepła w żebrach, najpopularniejszą metodą przetwarzania czystych aluminiowych radiatorów jest technologia wytłaczania aluminium, a głównym wskaźnikiem dla oceny czystego aluminiowego radiatora jest grubość podstawy grzejnika i współczynnik Pin-Fin. Pin oznacza wysokość płetw radiatora, a Fin odnosi się do odległości między dwoma sąsiednimi płetwami. Stosunek Pin-Fin to wysokość Pin (bez grubości podstawy) podzielona przez Fin. Im większy współczynnik Pin-Fin, tym większy efektywny obszar rozpraszania ciepła radiatora, co oznacza, że technologia wytłaczania aluminium jest bardziej zaawansowana.

Czysty grzejnik miedziany

Miedź ma współczynnik przenikania ciepła 1,69 razy większy od aluminium, więc czyste miedziane radiatory mogą szybciej odprowadzać ciepło ze źródła ciepła, a wszystkie inne rzeczy są równe. Jednak faktura miedzi jest problemem. Wiele "czystych miedzianych grzejników" w rzeczywistości nie jest w 100% miedzianą. Na liście miedzi miedź zawierająca ponad 99% nazywana jest miedzią wolną od kwasów, a następną klasą miedzi jest miedź zawierająca mniej niż 85% miedzi. Zawartość miedzi w większości czystych miedzianych radiatorów obecnych na rynku jest gdzieś pomiędzy. Niektóre gorsze miedziane grzejniki nie zawierają nawet 85% miedzi. Chociaż koszt jest bardzo niski, ich zdolność przenoszenia ciepła jest znacznie zmniejszona, co wpływa na rozpraszanie ciepła. Ponadto miedź ma również oczywiste niedociągnięcia, wysokie koszty, trudne przetwarzanie i zbyt duże radiatory utrudniają zastosowanie radiatorów miedzianych. Twardość czerwonej miedzi nie jest tak dobra, jak stopu aluminium AL6063. Niektóre obróbki mechaniczne (np. Rowkowanie itp.) Nie są tak dobre jak aluminium; miedź ma o wiele wyższą temperaturę topnienia niż aluminium, co nie sprzyja ekstruzji i innym problemom.

Technologia łączenia aluminium z miedzią

Po uwzględnieniu wad dwóch materiałów, miedzi i aluminium, niektóre wysokiej klasy radiatory na rynku często wykorzystują połączenie miedzi i aluminium. Te radiatory zwykle wykorzystują miedzianą podstawę metalową, a żebra radiatora używają stopu aluminium. Oprócz podstawy miedzianej istnieją również metody, takie jak zastosowanie miedzianego słupka dla radiatora, co jest tą samą zasadą. Dzięki wysokiej przewodności cieplnej miedziane dno może szybko absorbować ciepło uwalniane przez procesor; żebra aluminiowe mogą być wykonane w kształcie, który jest najkorzystniejszy dla rozpraszania ciepła za pomocą skomplikowanych procesów i zapewnia dużą przestrzeń do przechowywania ciepła i szybkie uwalnianie. Punkt równowagi znaleziony we wszystkich aspektach.

Aby poprawić sprawność świetlną LED i żywotność, rozwiązanie problemu rozpraszania ciepła produktów LED jest jedną z najważniejszych kwestii na tym etapie. Rozwój branży LED koncentruje się również na rozwoju produktów LED o dużej mocy, o dużej jasności i małych rozmiarach. Podłoże rozpraszające ciepło o dużym rozpraszaniu ciepła i dokładnych wymiarach stało się również trendem w rozwoju substratów do rozpraszania ciepła LED. Obecnie podłoże z tlenku glinu jest zastępowane przez podłoże z azotku glinu lub sposób łączenia matrycy / podłoża w celu zastąpienia złotego drutu procesem eutektycznym lub odwróconym, w celu poprawy skuteczności świetlnej diody LED. Zgodnie z tym trendem, dokładność wyrównania samego substratu rozpraszającego ciepło jest niezwykle ścisła i wymagane jest wysokie rozpraszanie ciepła, mały rozmiar i dobra przyczepność linii metalowych. W związku z tym cienkowarstwowy ceramiczny substrat rozpraszający ciepło jest wytwarzany przy użyciu mikrokrokatu o żółtym świetle. Stanie się jednym z ważnych katalizatorów promujących ciągłą, wysoką moc LED.