طريقة التبريد LED والمواد

لم تكن مصابيح LED أحادية الشريحة الأولى قوية جدًا ، وكانت محدودة في توليد الحرارة ، وكانت لديها مشكلات حرارية بسيطة ، لذلك كانت الحزمة بسيطة نسبيًا. ومع ذلك ، مع التقدم المستمر في تكنولوجيا المواد LED في السنوات الأخيرة ، تغيرت أيضا تكنولوجيا التغليف LED. بدءًا من الرزمة المبكرة من النوع ذي الرقاقة الواحدة ، تطورت تدريجياً لتصبح وحدة نمطية متعددة الشرائح ذات مساحة مسطحة ؛ التشغيل الحالي هو من 20mA في وقت مبكر. تقدمت مصابيح LED منخفضة الطاقة على اليسار واليمين إلى مصابيح LED الحالية عالية الطاقة من حوالي 1/3 إلى 1A. تبلغ طاقة الإدخال لمصباح LED الواحد 1 وات أو أكثر ، وحتى أوضاع حزمة 3 وات و 5 وات أكثر تطوراً.

نظرًا لأن مشكلة الحرارة التي يسببها نظام LED عالي السطوع وذات الطاقة العالية سيكون هو المفتاح للتأثير على وظيفة المنتج ، وللإفراز السريع للحرارة الناتجة عن مكون LED إلى البيئة المحيطة ، فمن الضروري البدء الإدارة الحرارية لمستوى العبوة (L1 & L2). في الوقت الحاضر ، فإن الممارسة الصناعية تقلل من المعاوقة الحرارية لوحدة الحزمة من خلال جهاز رش الحرارة عن طريق لحام رقاقة LED مع اللحام أو المعجون الحراري على جهاز رش الحرارة.

تتطلب العديد من التطبيقات الطرفية ، مثل أجهزة العرض المصغرة ، ومصادر السيارات والإضاءة ، أكثر من ألف لومن أو عشرات الآلاف من اللومن في منطقة معينة. وحدات حزمة رقاقة واحدة غير كافية بشكل واضح. الذهاب إلى حزمة LED متعددة الشرائح وربط الشريحة مباشرة إلى الركيزة هو اتجاه التطور المستقبلي.

مشكلة تبديد الحرارة هي العقبة الرئيسية في تطوير مصابيح LED لأجسام الإضاءة. استخدام السيراميك أو أنابيب الحرارة هو وسيلة فعالة لمنع ارتفاع درجة الحرارة. ومع ذلك ، فإن حل إدارة الحرارة يزيد من تكلفة المواد. إن الغرض من تصميم إدارة الحرارة LED عالية الطاقة هو تقليل R بشكل فعال إلى حالة واحدة من الحلول القائمة على المواد التي توفر تبديد الحرارة من الشريحة ، مما يوفر مقاومة حرارية منخفضة ولكن موصلية عالية ، مما يسمح بنقل الحرارة مباشرة من الشريحة عن طريق إرفاق يموت أو طرق معدنية ساخنة. خارج السكن الحزمة.

بالطبع ، تشبه مكونات تبديد الحرارة لمصابيح LED تشتت الحرارة من وحدات المعالجة المركزية (CPUs). هم أساسا وحدات تبريد الهواء تتكون من المصارف الحرارة ، وأنابيب الحرارة ، والمراوح ومواد الوصل الحراري. بالطبع ، تبريد الماء هو أيضا أحد الإجراءات المضادة الحرارية. في وحدة الإضاءة الخلفية LED ذات الحجم الكبير LED الحالية ، تتميز الإضاءة الخلفية بمقاس 40 بوصة و 46 بوصة بإدخال الطاقة من 470W و 550W على التوالي ، ويتم تحويل 80 ٪ منها إلى حرارة ، وتبديد الحرارة المطلوب حوالي 360W و 440W أو هكذا.

إذن كيف تأخذ هذه الحرارة بعيدا؟ في الوقت الحاضر ، هناك طرق لتبريد المياه في الصناعة ، ولكن هناك شكوك حول ارتفاع سعر الوحدة والموثوقية. من المفيد أيضًا استخدام أنابيب الحرارة مع أحواض الحرارة والمراوح للتبريد.

طريقة تبديد الحرارة

بشكل عام ، يمكن تقسيم بالوعة الحرارة إلى بالوعة الحرارة النشطة و بالوعة الحرارة السلبية وفقا للطريقة التي يتم بها إزالة الحرارة من بالوعة الحرارة. إن ما يسمى تبديد الحرارة السلبي يعني أن حرارة مصدر الضوء LED مصدر الحرارة تشع بشكل طبيعي في الهواء من خلال بالوعة الحرارة ، ويكون تأثير تبديد الحرارة متناسبًا مع حجم المشتت الحراري ، ولكن بسبب الحرارة الطبيعية تبديد ، بالطبع يتم تقليل التأثير إلى حد كبير ، وغالبا ما يستخدم في تلك المساحات الفضائية. في المعدات غير المطلوبة ، أو المستخدمة لتبديد الحرارة للمكونات التي تولد حرارة أقل. على سبيل المثال ، تعتمد بعض اللوحات الرئيسية الشائعة أيضًا تبديد الحرارة السلبي على الجسر الشمالي. يعتمد معظمهم تبديد الحرارة النشط. اضطر تبديد الحرارة النشطة بواسطة المصارف الحرارة مثل المراوح. يتم التخلص من الحرارة المنبعثة من المشتت الحراري ، والتي تتميز بكفاءة عالية لتبديد الحرارة وصغر حجم الجهاز.

يمكن تقسيم تبديد الحرارة النشط ، مقسمًا من طريقة تبديد الحرارة ، إلى تبريد الهواء ، التبريد السائل ، تبريد أنابيب الحرارة ، تبريد أشباه الموصلات ، التبريد الكيميائي وما إلى ذلك.

الحرارة المبردة بالهواء المبردة بالهواء هي الشكل الأكثر شيوعًا لتبديد الحرارة ، وبالمقارنة ، فهي أيضًا طريقة أرخص. التبريد بالهواء هو في الأساس مروحة تزيل الحرارة الممتصة بواسطة بالوعة الحرارة. لديها مزايا السعر المنخفض نسبيا وتركيب مريحة. ومع ذلك ، فهي تعتمد بشكل كبير على البيئة ، مثل ارتفاع درجات الحرارة وارتفاع درجة حرارة الأداء.

التبريد السائل

تضطر حرارة التبريد السائل إلى تدوير حرارة الرادياتير عن طريق المضخة تحت قيادة المضخة. بالمقارنة مع تبريد الهواء ، فإنه يتميز بمزايا الهدوء والاستقرار الثابت لدرجة الحرارة وانخفاض الاعتماد على البيئة. سعر التبريد السائل مرتفع نسبياً ، والتركيب مرهق نسبياً. في نفس الوقت ، قم بتثبيته قدر الإمكان طبقاً للتعليمات الواردة في التعليمات للحصول على أفضل تبديد للحرارة. ولأسباب التكلفة وسهولة الاستخدام ، عادة ما يستخدم تبديد الحرارة السائل السائل الماء كسائل لنقل الحرارة ، لذلك غالباً ما يشار إلى أحواض الحرارة المبردة السائلة بمصارف الحرارة المبردة بالماء.

أنبوب الحرارة

ينتمي أنبوب الحرارة إلى عنصر نقل الحرارة ، والذي يستخدم بالكامل مبدأ التوصيل الحراري و خاصية نقل الحرارة السريعة لوسط التبريد ، وينقل الحرارة عن طريق التبخر والتكثيف للسائل في الأنبوب المفرغ المغلق بالكامل ، وله درجة عالية جدًا الموصلية الحرارية ودرجة الحرارة متساوي الحرارة جيدة. يمكن تغيير منطقة نقل الحرارة على جانبي الجانبين الحار والبارد بشكل تعسفي ، يمكن أن يكون نقل الحرارة لمسافات طويلة ، يمكن التحكم في درجة الحرارة ، وما شابه ذلك ، والمبادل الحراري المكون من أنبوب الحرارة لديه كفاءة نقل الحرارة العالية ، هيكل مدمج ، مقاومة السوائل الصغيرة ، وما إلى ذلك ميزة. لقد تجاوز الموصلية الحرارية لها بكثير التوصيل الحراري لأي معدن معروف.

التبريد أشباه الموصلات

يستخدم تبريد أشباه الموصلات شريحة تبريد أشباه الموصلات الخاصة لتوليد فرق درجة الحرارة للتبريد عند تنشيطه. طالما أن الحرارة في نهاية درجة الحرارة العالية يمكن تبديدها بشكل فعال ، يتم تبريد درجة الحرارة المنخفضة باستمرار. يتم إنشاء فرق درجة الحرارة على كل من جسيمات أشباه الموصلات ، ويتم تشكيل ورقة تبريد عن طريق توصيل العشرات من هذه الجسيمات على التوالي لتشكيل فرق درجة الحرارة على كل من أسطح ورقة التبريد. من خلال استخدام ظاهرة اختلاف درجة الحرارة هذه ، يمكن استخدام تبريد الهواء / تبريد الماء لتبريد درجة الحرارة العالية ، ويمكن الحصول على تأثير ممتاز لتبديد الحرارة. يتميز تبريد أشباه الموصلات بميزات درجة حرارة التبريد المنخفضة والموثوقية العالية. درجة حرارة السطح البارد يمكن أن تصل إلى أقل من 10 درجة مئوية ، ولكن التكلفة مرتفعة جدا ، ويمكن أن يسبب ماس كهربائى بسبب انخفاض درجة الحرارة. الآن عملية فيلم التبريد أشباه الموصلات ليست ناضجة بما فيه الكفاية. عملي.

التبريد الكيميائي

إن ما يسمى بالتبريد الكيميائي هو استخدام بعض المواد الكيميائية بدرجة حرارة منخفضة للغاية ، والتي تستخدمها لامتصاص كمية كبيرة من الحرارة أثناء الذوبان لخفض درجة الحرارة. ومن الشائع استخدام الثلج الجاف والنيتروجين السائل في هذا الصدد. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي استخدام الثلج الجاف إلى خفض درجة الحرارة إلى ما دون 20 درجة مئوية ، كما أن بعض اللاعبين "المنحرفين" يستخدمون النيتروجين السائل لخفض درجة حرارة وحدة المعالجة المركزية أقل من 100 درجة مئوية (نظريًا) ، بالطبع ، بسبب السعر المرتفع وقصيرة المدة ، وهذه الأساليب هي أكثر شيوعا في المختبر أو المتحمسين لرفع تردد التشغيل الشديد.

اختيار المواد

معامل انتقال الحرارة (الوحدة: W / mK)

الفضة 429

النحاس 401

الذهب 317

ألومنيوم 237

الحديد 80

الرصاص 34.8

1070 سبائك الألومنيوم 226

1050 سبائك الألومنيوم 209

6063 نوع سبائك الألومنيوم 201

6061 نوع سبائك الألومنيوم 155

بشكل عام ، تقوم المبردات العادية المبردة بالهواء باختيار المعادن بشكل طبيعي كمواد الرادياتير. بالنسبة للمواد المختارة ، من المستحسن أن يكون لديك كل من الحرارة العالية والموصلية الحرارية العالية. من الأعلى ، تعتبر الفضة والنحاس أفضل المواد الحرارية ، يليها الذهب والألمنيوم. ومع ذلك ، فإن الذهب والفضة باهظ الثمن ، لذا فإن المصعد الحراري الحالي مصنوع أساسًا من الألمنيوم والنحاس. بالمقارنة ، يكون لكل من سبائك النحاس والألومنيوم مزاياها وعيوبها: النحاس له موصلية حرارية جيدة ، لكن السعر مرتفع نسبيًا ، والمعالجة صعبة ، والوزن كبير جدًا ، والقدرة الحرارية للمشتت الحراري النحاسي صغير ، ومن السهل أن تتأكسد. . من ناحية أخرى ، الألمنيوم النقي يكون طريقا جدا ليتم استخدامه بشكل مباشر. يمكن أن توفر سبائك الألومنيوم المستخدمة صلابة كافية. ميزة سبائك الألومنيوم هي أنها رخيصة وخفيفة ، ولكن الموصلية الحرارية هي أسوأ بكثير من النحاس. لذلك ، في تاريخ تطوير المبرد ، ظهرت المواد التالية:

المشعاع الألومنيوم النقي

المشعات المصنوعة من الألومنيوم النقي هي المشعات الأكثر شيوعًا في الأيام الأولى. عملية التصنيع بسيطة والتكلفة منخفضة. حتى الآن ، لا تزال مشعات الألومنيوم النقية تحتل جزءًا كبيرًا من السوق. من أجل زيادة مساحة تبديد الحرارة للزعانف ، فإن طريقة المعالجة الأكثر شيوعًا لمشعات الألومنيوم الخالصة هي تقنية بثق الألمنيوم ، والمؤشر الرئيسي لتقييم مشعاع الألومنيوم النقي هو سمك قاعدة الرادياتير ونسبة Pin-Fin. دبوس يشير إلى ارتفاع زعانف المشتت الحراري ، ويشير Fin إلى المسافة بين زعانفتين متجاورتين. نسبة Pin-Fin هي ارتفاع دبوس (باستثناء سمك القاعدة) مقسوما على Fin. كلما زادت نسبة Pin-Fin ، زادت مساحة تبديد الحرارة الفعالة للمشتت الحراري ، مما يعني أن تقنية بثق الألمنيوم أكثر تقدمًا.

المبرد النحاس النقي

يحتوي النحاس على معامل انتقال للحرارة يبلغ 1.69 مرة من معامل الألمنيوم ، لذلك فإن أحواض الحرارة النحاسية الخالصة يمكنها إزالة الحرارة من مصدر الحرارة بسرعة أكبر ، وكل الأشياء الأخرى متساوية. ومع ذلك ، فإن مادة النحاس هي مشكلة. كثير من "مشعات النحاس النقي" ليست حقا 100 ٪ من النحاس. في قائمة النحاس ، يسمى النحاس الذي يحتوي على أكثر من 99٪ من النحاس الخالي من الأحماض ، والنوع التالي من النحاس هو النحاس الذي يحتوي على أقل من 85٪ من النحاس. إن محتوى النحاس في معظم أحواض النحاس النقية في السوق اليوم هو في مكان ما بينهما. بعض المشعاعات النحاسية الضيقة النقية لا تحتوي حتى على 85٪ من النحاس. على الرغم من أن التكلفة منخفضة للغاية ، إلا أن قدرتها على نقل الحرارة تتقلص بشكل كبير ، مما يؤثر على تبديد الحرارة. وبالإضافة إلى ذلك ، فإن النحاس لديه عيوب واضحة ، وتكلفة عالية ، ومعالجة صعبة ، وأحواض حرارية كبيرة للغاية تعيق تطبيق أحواض الحرارة النحاسية بالكامل. صلابة النحاس الأحمر ليست جيدة مثل سبائك الألومنيوم AL6063. بعض المعالجة الميكانيكية (مثل الحز ، إلخ) ليست جيدة كالألومنيوم ؛ النحاس له نقطة انصهار أعلى بكثير من الألمنيوم ، مما لا يفضي إلى البثق ومشاكل أخرى.

تكنولوجيا ربط النحاس والألومنيوم

بعد النظر في أوجه القصور في المادتين ، والنحاس والألمنيوم ، تستخدم بعض المصارف الحرارية عالية الجودة في السوق مزيجًا من النحاس والألمنيوم. تستخدم عادة أحواض الحرارة هذه القاعدة المعدنية النحاسية ، بينما تستخدم زعانف المشتت الحراري سبيكة الألومنيوم. بالإضافة إلى القاعدة النحاسية ، هناك أيضًا طرق مثل استخدام وظيفة نحاسية للمشتت الحراري ، وهو نفس المبدأ. مع الموصلية الحرارية العالية ، يمكن للقاع النحاس امتصاص بسرعة الحرارة الصادرة عن وحدة المعالجة المركزية. يمكن تصنيع زعانف الألمنيوم إلى شكل مفضل أكثر لتبديد الحرارة عن طريق عمليات معقدة ، وتوفير مساحة تخزين كبيرة للحرارة وإطلاق سريع. تم العثور على نقطة التوازن في جميع الجوانب.

لتحسين كفاءة الإضاءة المضيئة وحياة الخدمة ، يعد حل مشكلة تبديد الحرارة لمنتجات LED واحدة من أهم القضايا في هذه المرحلة. كما يركز تطوير صناعة LED على تطوير منتجات LED عالية الطاقة وعالية السطوع وصغيرة الحجم. كما أن الركيزة المتبددة للحرارة مع تبديد الحرارة العالي والحجم الدقيق أصبحت أيضًا اتجاهًا في التطور المستقبلي لركائز تبديد الحرارة LED. في الوقت الحاضر ، يتم استبدال الركيزة أكسيد الألومنيوم بواسطة ركيزة نيتريد الألومنيوم ، أو يتم استخدام طريقة الترابط / الركيزة لاستبدال سلك الذهب من خلال عملية الشريحة الانصهار أو الوجه لتحسين الكفاءة المضيئة لل LED. في ظل هذا الاتجاه التنموي ، تكون دقة محاذاة الركيزة المشتتة للحرارة صلبة للغاية ، ويتطلب ذلك تبديد حرارة عالية ، وحجم صغير ، والالتصاق الجيد للخطوط المعدنية. لذلك ، يتم إنتاج طبقة رقيقة من السيراميك لتقطيع الطبقة الرقيقة من خلال استخدام ظلال دقيقة للضوء الأصفر. سوف تصبح واحدة من العوامل الحفازة الهامة لتعزيز طاقة LED المستمرة العالية.