Les diodes électroluminescentes haute puissance (LEDs haute puissance) peuvent être 350 milliwatts ou plus fortes dans une seule LED. La plus grande partie de l’énergie d’une LED est convertie en chaleur plutôt qu’en lumière (environ 70% de chaleur et 30% de lumière). Si cette chaleur ne peut pas être dissipée, les LEDs brillent à des températures très élevées. Cela diminue non seulement l’efficacité, mais raccourcit également la durée de vie de la LED. Par conséquent, la gestion thermique des LED de haute puissance est un domaine essentiel de la recherche et du développement. Il est nécessaire de limiter la température de jonction d’une valeur qui assure la durée de vie désirée.
Transfert de chaleur
Pour maintenir une basse température de la couche de verrouillage qui maintient la puissance élevée d’une LED, toute possibilité d’enlèvement de la chaleur de LED doit être envisagée. La conduction thermique (réduction), l’enlèvement de chaleur par air (convection) et le rayonnement sont les trois possibilités de transfert de chaleur. Typiquement, les LEDs sont encapsulées dans une résine transparente, qui est un mauvais conducteur de chaleur. La quasi-totalité de la chaleur produite est transmise par l’arrière de la puce. La chaleur est générée par la transition p-n par l’énergie électrique qui n’a pas été convertie en lumière utile. Il atteint le point de soudure par une longue distance du point de raccordement, le point de soudure à la carte de circuit imprimé et le circuit imprimé au dissipateur de chaleur et est ensuite dirigé vers l’atmosphère de l’environnement extérieur.
La température de la couche barrière est inférieure si l’impédance thermique est plus petite ou si la température ambiante est inférieure. Pour maximiser la plage de température ambiante utilisable pour une performance de perte donnée, la résistance thermique totale du point de connexion à l’environnement doit être minimisée.
Les valeurs de résistance à la chaleur varient grandement selon le matériau et les composants adjacents. Par exemple, le RJC ( couche de barrière de résistance thermique au boîtier) varie de 2,6 ° c/W à 18 ° c/w selon le fabricant de LED. La résistance thermique du matériau de conduction thermique (également TIM: matériau de l’interface thermique) varie également en fonction du type de matériau sélectionné. Les TIMs de Guying sont époxy, pâte thermique, adhésif et beaucoup. Les LEDs haute puissance sont souvent montées sur des cartes de circuits métalliques (MCPCB) attachées à un radiateur. La chaleur transmise par la plaque de module métallique et le radiateur thermoconducteur est ensuite dissipée par convection et par rayonnement. En plus de la conception et la conception du corps de refroidissement, la régularité de la surface et la qualité de chaque composant, la pression, la surface de contact, le type de matériau de conduction thermique et son épaisseur sont. Ce sont des paramètres pour la résistance à la chaleur ou le refroidissement de la LED par l’enlèvement de chaleur.
Refroidissement passif
Les facteurs de refroidissement passif pour une gestion efficace de la chaleur des LEDs de haute puissance sont:
Conducteur thermique
Le conducteur thermique est normalement utilisé pour relier la LED à la carte et la carte au radiateur. L’utilisation d’un conducteur thermique peut encore optimiser la puissance de la chaleur.
Dissipateur de chaleur
Les dissipateurs de chaleur contribuent significativement à l’enlèvement de la chaleur. Il fonctionne comme un conducteur qui dirige la chaleur de la source de LED vers le milieu extérieur. Les dissipateurs de chaleur peuvent déduire l’énergie de trois façons: conduction de la chaleur (réduction: transfert de chaleur à l’intérieur ou d’un solide à un autre), convection (transfert de chaleur d’un solide à un fluide en mouvement, pour la plupart des applications LED est Le fluide de l’air ambiant) ou le rayonnement (transfert de chaleur de deux corps de différentes températures de surface à travers le rayonnement thermique).
- Matériel:
La conductivité thermique du matériau qui constitue le radiateur affecte directement la performance de perte de la conduction thermique. Normalement, l’aluminium est utilisé en raison de la très bonne valeur pour l’argent. Dans le cas des refroidisseurs plats, le cuivre est souvent utilisé, malgré le prix d’achat élevé. Les nouveaux matériaux comprennent les thermoplastiques, qui sont utilisés lorsque les exigences de dissipation de chaleur sont inférieures à la normale (par exemple souvent dans les exigences de la maison) ou des formes complexes dans le processus de coulée de pulvérisation de sens. Les solutions de graphite ont souvent un transfert de chaleur plus efficace (pas de conduction thermique) que le cuivre à un poids inférieur à celui de l’aluminium. Le graphite est considéré comme une solution de refroidissement exotique et est plus coûteux à produire. Des tuyaux thermiques peuvent également être ajoutés à des refroidisseurs en aluminium ou en cuivre pour réduire la résistance à la dispersion.
- Forme:
Le transfert de chaleur a lieu à la surface de la glacière. Par conséquent, les dissipateurs de chaleur doivent être conçus pour avoir une grande surface. Ceci peut être réalisé en utilisant un grand nombre de nervures fines ou en agranfaisant le radiateur lui-même.
Bien qu’une plus grande surface entraîne une meilleure performance de refroidissement, il doit y avoir suffisamment d’espace entre les nervures pour créer une différence de température considérable entre la côte de refroidissement et l’air ambiant. Si les nervures sont trop proches les unes des autres, l’air entre les deux peut avoir presque la même température que les nervures, donc aucun transfert de chaleur n’a lieu. En conséquence, plus de côtes de refroidissement ne conduisent pas nécessairement à plus de puissance de refroidissement.
- Texture:
Le rayonnement thermique des refroidisseurs est fonction de la texture de surface, en particulier à des températures plus élevées. Une surface peinte a un niveau d’émission plus élevé qu’une surface brillante et non vernie. L’effet est plus notable pour les refroidisseurs peu profonds, où environ un tiers de la chaleur est dissipée par rayonnement. En outre, une surface de contact plane optimale permet l’utilisation d’une pâte thermique de conduction plus fine, ce qui réduit la résistance à la chaleur entre le dissipateur de chaleur et la source de LED. D’autre part, l’anodisation ou la gravure réduisent également la résistance thermique.
- Méthode d’installation:
Les attaches de corps de refroidissement avec des vis ou des plumes sont souvent meilleures que les agrafes conventionnelles, conducteur thermique ou bande. Pour le transfert de chaleur entre des sources LED de plus de 15 watts et des refroidisseurs de LED, il est recommandé d’utiliser un matériau d’interface conductrice à haute chaleur (TIM) qui a une résistance thermique au-dessus de l’interface de moins de 0,2 K/W. Actuellement, la méthode la plus couramment utilisée est un matériau de changement de phase qui est appliqué à la température ambiante sous la forme d’un oreiller solide, mais puis se transforme en un liquide gélatineux épais dès qu’il s’élève au-dessus de 45 º C.
Caloducs et chambres à vapeur
Les tuyaux de chaleur et les chambres à vapeur ont des effets passifs et leurs capacités de conductivité thermique sont très efficaces de 10 000 à 100 000 W/mK. Ils offrent les avantages suivants dans la gestion de la chaleur LED:
- Transporte la chaleur vers un autre radiateur avec une baisse de température minimale
- Isothermizes contrôle de la chaleur par convection naturelle, augmentant l’efficacité et en réduisant sa taille. C’ est un cas connu dans lequel l’addition de cinq caloducs a réduit la masse de Conflux de chaleur de 34% de 4,4 kg à 2,9 kg.
- Le flux de chaleur élevé directement sous une LED efficacement dans un flux de chaleur plus faible, qui peut être dissipée plus facilement.
PCB (serré: carte de circuit pressé)
- MCPCB
MCPPCB (PCB de noyau métallique) sont des planches qui contiennent un matériel de base en métal pour la distribution de chaleur comme partie intégrante de la carte de circuit imprimé. Le noyau métallique est généralement constitué d’un alliage d’aluminium. MCPCB a l’avantage d’une couche de polymère diélectrique avec une conductivité thermique élevée.
- Séparation:
La séparation du circuit de pilote LED de la carte LED empêche la chaleur générée par le conducteur d’augmenter la température de la couche de verrouillage LED.
Revêtement platine
- Procédé additif:
Sur les PCB, des substances conductrices sont appliquées au matériau porteur pendant le processus de production pour la création d’une surface structurale conductrice. Le conducteur n’est appliqué qu’à l’image de piste du conducteur prédéterminé. En revanche, cela est gravé dans le processus soustractif. Fondamentalement, il y a une connexion directe au radiateur en aluminium; Par exemple, aucun matériau additionnel pour le raccordement thermique n’est requis pour le circuit. Cela réduit les couches conductrices de chaleur et la surface de chaleur. Les étapes de traitement, les types de matériaux et les quantités matérielles sont réduits.
Plaques d’échelle en aluminium (également connues sous le nom de cartes de circuits IMS pour substrats métalliques isolés)-elle augmente la connexion thermique et fournit une tension de pénétration diélectrique élevée. Les matériaux tolèrent la chaleur jusqu’à 600 ° C. Les circuits sont directement attachés aux substrats en aluminium, de sorte qu’aucun matériau de conduction thermique n’est requis. La connexion thermique améliorée peut réduire la température de la couche de verrouillage de la LED jusqu’à 10 ° C. Cela permet au développeur de réduire le nombre de voyants requis sur une carte en augmentant les performances de chaque LED. Il peut également réduire la taille du substrat pour répondre aux limitations dimensionnelles. Il a été prouvé qu’une réduction de la température de transition augmente grandement la durée de vie de la LED.
Facteur de forme
- Puce Flip:
La puce LED est montée avec l’avant vers le bas sur la monture, qui est généralement faite de silicium ou de céramique et est utilisé comme un distributeur de chaleur et le substrat porteur. La connexion Flip-Chip peut être eutectique, plomb, sans plomb ou or talon. La source lumineuse principale vient de l’arrière de la puce LED. Une couche réfléchissante est habituellement construite entre l’émetteur de lumière et les sites de soudure pour refléter la lumière émise vers le bas. Plusieurs entreprises utilisent des boîtiers Flip-Chip pour leur LED haute puissance, réduisant la durabilité thermique LED d’environ 60%. En même temps, la fiabilité thermique sera maintenue.
