Vysokovýkonné LED diódy (LED diódy s vysokým výkonom) môžu byť v jednej LED dióde rovnako výkonné ako 350 milliwattov alebo viac. Väčšina energie v LED sa mení skôr na teplo ako na svetlo (asi 70% tepla a 30% svetlo). Ak sa toto teplo nedá rozptýliť, LED diódy svietia pri veľmi vysokých teplotách. To nielenže znižuje účinnosť, ale aj skracuje životnosť LED. Nielenže znižuje účinnosť, ale aj skracuje životnosť LED. Je potrebné obmedziť teplotu spojenia (Engl.: Junction Temperature) na hodnotu, ktorá zabezpečuje požadovanú životnosť LED.
prenos tepla
Aby sa udržala nízka teplota spojenia, ktorá udržuje vysoký výkon LED, treba zvážiť akúkoľvek možnosť rozptýlenia tepla z LED diód. Tepelné vedenie (vedenie), odvod tepla vzduchom (konvekcia) a žiarenie sú tri možnosti prenosu tepla. Typicky sú LED zapuzdrené v priehľadnej živici, ktorá je slabým vodičom tepla. Typicky sú LED zapuzdrené v priehľadnej živici, ktorá je slabým vodičom tepla. Teplo sa generuje z pripojenia p-n elektrickou energiou, ktorá nebola premenená na užitočné svetlo. Prechádza na vzdialenú vzdialenosť od križovatky k spájkovaciemu bodu, spájkovacieho bodu k doske plošných spojov a obvodovej dosky k chladiču a potom prechádza do atmosféry vonkajšieho prostredia.
Prechádza sa na vzdialenú vzdialenosť od križovatky k spájkovaciemu bodu, spájkovacieho bodu k doske plošných spojov a obvodovej dosky k chladiču a potom prechádza do atmosféry vonkajšieho prostredia. Aby sa maximalizoval rozsah použiteľnej teploty okolia pre daný výkon, musí sa minimalizovať celkový tepelný odpor spoja so životným prostredím.
Hodnoty tepelného odporu sa značne líšia v závislosti od použitého materiálu a komponentov. Napríklad RJC (Tepelná odolnosť proti prepojeniu na puzdro) sa pohybuje od 2,6 ° C / W do 18 ° C / W v závislosti od výrobcu LED. Tepelný odpor materiálu tepelného rozhrania (tiež TIM: Thermal Interface Material) sa tiež líši v závislosti od typu zvoleného materiálu. Spoločné TIM sú epoxidové, tepelné mazivá, lepidlá citlivé na tlak a spájky. LED diódy s vysokým výkonom sú často namontované na doskách s plošnými spojmi (MCPCB) s kovovým jadrom, ktoré sú pripojené k chladiču. Teplo, ktoré sa vedie cez kovovú modulovú dosku a chladič tepla odvádzajúci teplo, sa potom rozptýli konvekciou a žiarením. Okrem konštrukcie a konštrukcie chladiča, povrchovej rovinnosti a kvality každej zložky, kontaktného tlaku, kontaktného povrchu, typu Wärmeleitmaterials a jeho hrúbky. Toto sú parametre tepelnej odolnosti alebo chladenia LED kvôli rozptýleniu tepla.
Pasívne chladenie
Faktory pre pasívne chladenie pre efektívnu tepelnú správu LED s vysokým výkonom sú:
Thermal Adhesive
Tepelné lepidlo sa zvyčajne používa na pripojenie LED k PCB a PCB k chladiču. Použitie tepelného lepidla môže ďalej optimalizovať tepelný výkon.
chladič
Použitie tepelného lepidla môže ďalej optimalizovať tepelný výkon. Funguje ako vodič, ktorý vedie teplo zo zdroja LED do vonkajšieho média. Chladiče môžu rozptýliť energiu tromi spôsobmi: vedenie tepla (vedenie: prenos tepla v jednej pevnej látke alebo od nej), konvekcia (prenos tepla z pevnej látky do pohybujúcej sa tekutiny, pre väčšinu LED aplikácií je tekutinou okolitý vzduch) alebo Žiarenie (prenos tepla z dvoch telies rôznych teplôt povrchu kvôli tepelnému žiareniu).
- materiál:
Tepelná vodivosť materiálu, z ktorého je chladič vyrobený, priamo ovplyvňuje strata výkonu vedenia tepla. Normálne sa hliník používa kvôli veľmi dobrému pomeru ceny a výkonu. V prípade plochých chladičov sa často využíva meď napriek vysokej kúpnej cene. Nové materiály zahŕňajú termoplasty, ktoré sa používajú, keď požiadavky na rozptyl tepla sú nižšie ako normálne (napríklad často pri domácom použití), alebo komplexné formy v vstrekovaní majú zmysel. Grafitové roztoky často majú účinnejší prenos tepla (nie vedenie tepla) než meď pri nižšej hmotnosti ako hliník. Grafit je považovaný za exotické chladiace riešenie a je nákladnejší vo výrobe. Tepelné potrubia sa môžu tiež pridať do chladičov z hliníka alebo medi, aby sa znížil odpor šírenia.
- forma:
Prestup tepla sa uskutočňuje na povrchu chladiča. Chladiče by preto mali byť navrhnuté tak, aby mali veľkú plochu. Dies kann erreicht werden, indem eine große Anzahl feiner Rippen verwendet wird oder indem der Kühlkörper selbst vergrößert wird.
Hoci väčší povrch má za následok lepšiu chladiacu účinnosť, musí byť medzi rebrami dostatočný priestor na vytvorenie významného teplotného rozdielu medzi plutvou a okolitým vzduchom. Ak sú rebrá príliš blízko seba, vzduch medzi nimi môže mať takmer rovnakú teplotu ako rebrá, takže nedochádza k prenosu tepla. Preto viac chladiacich rebier nemusí nevyhnutne viesť k väčšej chladiacej sile.
- Štruktúra povrchu:
Tepelné žiarenie z chladičov je funkciou povrchu, najmä pri vyšších teplotách. Maľovaný povrch má vyššiu emisivitu než jasný, nenatretý povrch. Účinok je najvýraznejší v plochých chladičoch, kde približne jedna tretina tepla je rozptýlená žiarením. Navyše optimálny plochý kontaktný povrch umožňuje použitie tenšieho tepelného mazacieho tuku, ktorý znižuje tepelný odpor medzi chladičom a zdrojom LED. Na druhej strane je tepelný odpor tiež znížený anodizáciou alebo leptaním.
- Spôsob montáže
Upevňovače chladiča so skrutkami alebo pružinami sú často lepšie ako bežné klipsy, tepelné lepidlo alebo páska. Pre prenos tepla medzi zdrojmi LED s výkonom nad 15 wattov a chladičmi LED sa odporúča použiť materiál s vysokým teplotným rozhraním (TIM), ktorý má tepelný odpor nad rozhraním menším ako 0,2 K / W. V súčasnosti je najbežnejšou metódou materiál fázovej zmeny, ktorý sa aplikuje ako pevná podložka pri izbovej teplote, ale potom sa premení na hustú želatínovú kvapalinu, keď stúpne nad 45 ° C.
Tepelné potrubia a parné komory
Tepelné a parné komory sú pasívne a ich tepelná vodivosť je veľmi účinná od 10 000 do 100 000 W / mK. Ponúkajú nasledujúce výhody v oblasti riadenia tepla LED:
- Prepravuje teplo na iný chladič s minimálnym poklesom teploty
- Izotermickáprirodzená konvekcia, redukcia tepla, čím zvyšuje účinnosť a znižuje jej veľkosť. Existuje prípad, keď pridanie piatich tepelných rúr znížilo hmotnosť chladiča o 34% zo 4,4 kg na 2,9 kg.
- Vysoký tepelný prietok priamo pod LED efektívne do nižšieho tepelného toku, ktorý sa dá ľahšie odvodiť.
Doska s plošnými spojmi eng.: printed circuit board; doska s plošnými spojmi)
- MCPCB:
MCPCB (Metal Core PCB) sú dosky, ktoré obsahujú základný kovový materiál na rozdeľovanie tepla ako integrálnu súčasť obvodovej dosky. Kovové jadro je zvyčajne vyrobené z hliníkovej zliatiny. MCPCB má výhodu dielektrickej polymérovej vrstvy s vysokou tepelnou vodivosťou.
- oddeľovania:
Oddelenie okruhu vodičov LED od dosky s LED diódami zabraňuje zvýšeniu teplo generovanej vodičom v spojení s LED diódou.
platina povlak
- Aditívne proces:
Na doskách plošných spojov sú vodivé materiály aplikované na podklad počas výrobného procesu na vytvorenie vodivých konštrukčných plôch. Vodič sa aplikuje iba na daný vzor stopy. Na rozdiel od toho je v subtrakčnom procese vyleptaný. V podstate je uvedené priame spojenie s chladičom hliníka; Pre obvod nie je potrebný žiadny dodatočný materiál pre tepelné pripojenie. Tým sa znižujú tepelne vodivé vrstvy a povrch tepla. Spracúvajú sa kroky spracovania, typy materiálov a množstvo materiálu.
Hliníkové dosky s plošnými spojmi (tiež nazývané izolované kovové podklady) – Zvyšuje tepelnú konektivitu a poskytuje vysoké dielektrické rozložiteľné napätie. Materiály tolerujú teplo až do 600 ° C. Obvody sú namontované priamo na hliníkové podložky, takže nie sú potrebné žiadne Wärmeleitmaterialien. Vylepšené tepelné pripojenie umožňuje znížiť teplotu spojenia LED až o 10 ° C. To umožňuje navrhovateľovi znížiť počet LED potrebných na doske zvýšením výkonu pre každú LED. Veľkosť substrátu sa môže tiež znížiť tak, aby vyhovovala dimenzionálnym obmedzeniam. Bolo preukázané, že zníženie teploty prechodu výrazne zvyšuje životnosť LED.
tvar tela
- Flip-čip:
LED čip je namontovaný smerom nadol na upínadlo, ktoré je zvyčajne kremíka alebo keramiky a používa sa ako rozprašovač tepla a nosný substrát. Spojenie flipchip môže byť eutektické, bohaté na olovo, bez olova alebo zlata. Primárny svetelný zdroj pochádza zo zadnej časti LED čipu. Medzi svetelným žiaričom a spájkovacími spojmi sa zvyčajne zapracováva reflexná vrstva, ktorá odráža svetlo vyžarované nadol. Niektoré firmy používajú flip-chip balíky pre svoje vysokovýkonné LED diódy, čím znižujú tepelný odpor LED asi o 60%. Súčasne sa dosiahne tepelná spoľahlivosť.
