Радиатор для светодиодов

Часто перечисленное преимущество светодиодов заключается в том, что они не выделяют тепло. В некотором смысле, это правда, светодиоды прохладны на ощупь, потому что они обычно не выделяют тепло в виде инфракрасного (ИК) излучения. Это явно напрямую не касается ИК-светодиодов.

ИК излучение – это то, что на самом деле выделяет лампы накаливания и другие источники света, делая их горячими на ощупь. Без инфракрасного излучения светодиоды могут быть размещены в местах, где тепло от других источников может вызвать проблемы (пожароопасные места, выращивать растения, освещать пищу и т. Д.).
Хотя светодиоды прохладны на ощупь, в самих устройствах присутствует много нежелательного нагрева. Это тепло происходит от неэффективности полупроводников, которые генерируют свет. Эффективность излучения (общая оптическая выходная мощность, деленная на общую электрическую входную мощность) светодиодов обычно составляет от 5 до 40%, что означает, что 60-95% входной мощности теряется в виде тепла. Так что вы делаете со всем этим избыточным внутренним теплом ?!

Процедура теплообмена

Чтобы поддерживать низкую температуру перехода и поддерживать на высоком уровне характеристики светодиода , следует рассмотреть каждый метод отвода тепла от светодиодов. Проводимость, конвекция и излучение являются тремя способами передачи тепла. Как правило, светодиоды заключены в прозрачную смолу , которая является плохим тепло проводником . Почти все выделяемое тепло проходит через обратную сторону чипа.

Тепло генерируется из PN-перехода электрической энергии, которая не была преобразована в полезный свет и передавалась во внешнюю среду по пути, от перехода к пайке, припой к плате, и от подложки к радиатору, а затем в атмосферу.

Типичный вид сбоку светодиода и его тепловая модель показаны на рисунках.

Температура перехода будет ниже, если тепловой импеданс меньше и аналогично, с более низкой температурой окружающей среды. Чтобы максимизировать полезный диапазон температуры окружающей среды для данного рассеивания мощности , общее тепловое сопротивление от соединения до окружающей среды должно быть минимизировано.

Значения термического сопротивления широко варьируются 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 термостойкости(TIM) также будет варьироваться в зависимости от выбранного типа материала. Обычные TIM – это эпоксидная смола, термопаста, чувствительный к давлению клей и припой.

Типы радиаторов

Некоторые соображения относительно пассивных тепловых конструкций, т.е радиаторов для светодиодов, для обеспечения хорошего управления температурой при работе светодиодов высокой мощности включают в себя:

Клей

Клей обычно используется для склеивания светодиодов и платы, а также платы и радиаторов. Использование теплопроводящего клея может дополнительно оптимизировать тепловые характеристики.

Радиатор

Радиаторы обеспечивают путь для прохождения тепла от светодиодного источника к внешней среде. Радиаторы могут рассеивать энергию тремя способами: проводимость (передача тепла от одного тела к другому), конвекция (передача тепла от твердого тела к движущейся жидкости, которая для большинства применений СИД будет воздухом) или излучение (передача тепла от двух тел различных температур поверхности через тепловое излучение ).

• Материал – Теплопроводность материала, из которого сделан радиатор, напрямую влияет на эффективность рассеивания за счет теплопроводности. Обычно это алюминий , хотя медь может использоваться с преимуществом для плоских радиаторов. Новые материалы включают термопласты, которые используются, когда требования к теплоотдаче ниже, чем нормальные, или сложная форма получит преимущество от литья под давлением, а также решения из натурального графита, которые обеспечивают лучшую теплопередачу, чем медь, с меньшим весом, чем алюминий, плюс возможность формования в комплекс. двумерные фигуры. Графит считается экзотическим решением для охлаждения и имеет более высокую стоимость производства.
• Форма – Термический перенос происходит на поверхности радиатора. Поэтому радиаторы должны иметь большую площадь поверхности. Эта цель может быть достигнута путем использования большого количества мелких ребер или увеличения размера самого радиатора.

Зависимость теплопроводности радиатора для светодиодов от формы

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 стоят слишком близко друг к другу, воздух между ними может стать почти такой же температуры, как ребра, так что передача тепла не произойдет. Следовательно, большее количество ребер не обязательно приводит к лучшей производительности 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. Кроме того, идеально плоская область контакта позволяет использовать более тонкий слой термопласта, что уменьшит тепловое сопротивление между радиатором и светодиодным источником. С другой стороны, анодирование или травление поверхности контакта также уменьшает тепловое сопротивление.
• Способ монтажа – крепления радиатора с помощью винтов или пружин часто лучше, чем обычные зажимы, теплопроводящий клей или клейкая лента.

Для теплообмена между светодиодными источниками мощностью более 15 Вт и радиатором рекомендуется использовать материал теплопроводности интерфейса с высокой теплопроводностью (TIM), который создаст тепловое сопротивление на границе раздела ниже 0,2 К / Вт. В настоящее время наиболее распространенным решением является и материал с фазовым переходом , который наносится в виде твердой прокладки при комнатной температуре, но затем превращается в густую желатиновую жидкость, когда она поднимается выше 45 ° C.

Тепловые трубки и паровые камеры.

Тепловые трубки и паровые камеры являются пассивными и имеют эффективную теплопроводность в диапазоне от 10000 до 100000 Вт / м К. Они могут обеспечить следующие преимущества в управлении температурой на светодиодах:

• Передача тепла к внешнему радиатору с минимальным падением температуры
• Изотермизация естественного конвекционного радиатора, повышение его эффективности и уменьшение его размеров. В одном случае добавление пяти тепловых трубок уменьшило массу радиатора на 34%, с 4,4 кг до 2,9 кг.
• Эффективно преобразуйте высокий тепловой поток непосредственно под светодиодом в более низкий тепловой поток, который может быть легко удален.

Радиатор для светодиодов. PCB (печатная плата)

• MCPCB – MCPCB ( PCB с металлической подложкой – это те платы, которые содержат материал подложки из металла в качестве распределителя тепла в качестве неотъемлемой части печатной платы. Металлическая подложка обычно состоит из алюминиевого сплава. Кроме того, MCPCB может использовать преимущество диэлектрического полимерного слоя с высокой теплопроводностью для снижения теплового сопротивления.
• Разделение – отделение цепи привода светодиодов от платы светодиодов предотвращает повышение температуры, генерируемой драйвером, от повышения температуры соединения светодиодов.

Система Толстопленочных Материалов.

• Аддитивный процесс – Толстая пленка – это процесс селективного осаждения добавки, при котором материал используется только там, где это необходимо. Обеспечивается более прямое подключение к алюминиевому радиатору; поэтому материал теплового интерфейса не требуется для построения схемы. Уменьшает теплорассеивающие слои и тепловой след. Стадии обработки сокращаются вместе с количеством материалов и количеством потребляемых материалов.
• Изолированная система алюминиевых материалов – увеличивает тепловую связь и обеспечивает высокую прочность на разрыв. Материалы можно обжигать при температуре менее 600 ° C. Цепи встроены непосредственно в алюминиевые подложки, что исключает необходимость в материалах для теплового интерфейса . Благодаря улучшенным тепловым связям температура соединения светодиода может быть уменьшена до 10 ° C. Это позволяет разработчику уменьшить количество светодиодов на плате, увеличив мощность каждого светодиода; или уменьшить размер подложки, чтобы управлять размерными ограничениями. Также доказано, что снижение температуры соединения светодиода значительно увеличивает срок его службы.

Тип упаковки

• Флип-чип – концепция похожа на флип-чип в конфигурации корпуса, широко используемой в промышленности кремниевых интегральных схем . Вкратце, светодиодная матрица собирается лицевой стороной вниз на вспомогательном креплении, которое обычно является кремниевым или керамическим , действующим в качестве распределителя тепла и поддерживающей подложки. Откидное соединение может быть эвтектическим , с высоким содержанием свинца , бессвинцовым припоем или золотой заглушкой, Основной источник света исходит от задней стороны светодиодного чипа, и между излучателем света и паяными соединениями обычно имеется встроенный отражающий слой для отражения света, излучаемого вниз. Несколько компаний приняли пакеты с перевернутыми кристаллами для своих мощных светодиодов, обеспечивающих снижение теплового сопротивления светодиода примерно на 60% при сохранении его тепловой надежности.

Светодиодная нить или современные лампы Эдисона.

Светодиодная лампа стиль лампы сочетает в себе множество светодиодов с относительно низкой мощности на прозрачной стеклянной подложке, покрыта люминофором, а затем инкапсулируется в силикон. Колба лампы заполнена инертным газом, который отводит тепло от расширенного ряда светодиодов к колбе лампы. Такая конструкция исключает необходимость большого радиатора.

Почему необходимо управлять температурой перехода светодиодов?

При использовании мощных светодиодов крайне важно, чтобы вы отводили тепло с помощью эффективного управления температурой. Без хорошего отвода тепла температура соединения (внутренняя) светодиода повышается, что приводит к плохому изменению характеристик светодиода. Его ускоренной деградации и выхода из строя.

При увеличении температуры перехода светодиода уменьшается как прямое напряжение, так и выходной сигнал в просвете (см. Рисунок 1). Это не только снижает яркость и эффективность вашего светодиода, также температура перехода влияет на общий срок службы светодиода. Светодиоды обычно не выходят из строя катастрофически (хотя некоторые могут, особенно если вы перегреваете их); вместо этого световой поток светодиода будет со временем уменьшаться. Более высокие температуры перехода приводят к более быстрому износу светодиодов. Вот почему так важно поддерживать низкую температуру соединения светодиодов. Также учтите, что если вы перегружаете свой светодиод (подводя к нему больше тока, чем он рассчитан), это приведет к повышению температуры до такой степени, что может произойти необратимое повреждение.

Что влияет на температуру перехода?

Температура окружающей среды и ток проходящий через светодиод влияют на температуру перехода светодиодов. Другие факторы влияют на природу света, будь то устойчивое состояние или импульсное и параметр, который нас действительно интересует, – мощность светодиодов на единицу площади радиатора (поверхность, которая рассеивает тепло).

Самая важная часть охлаждения светодиодов – это тепловой путь от соединения светодиодов к наружной стороне светильника. Тепло должно быть эффективно отведено от светодиода, а затем удалено из зоны с помощью какого-либо охлаждения или рассеивания.

Радиаторы являются важной частью светодиодного освещения, поскольку они обеспечивают путь для прохождения тепла от светодиодного источника света к внешним элементам. Радиаторы способны рассеивать энергию тремя способами: проводимость (передача тепла от твердого тела к твердому), конвекция (передача тепла от твердого тела к движущейся жидкости, воздух в большинстве случаев) или излучение (передача тепла от двух тел в различные температуры через тепловое излучение).

Перед тем, как приступить к выбору радиатора, вы должны знать, что когда вы покупаете светодиоды на металлической подложке, светодиодные звезды, это уже верный шаг к лучшему тепловому контролю. Светодиоды поставляются в катушках в виде оголенных излучателей, которые заключены в прозрачную смолу, которая, как правило, является плохим проводником тепла, поэтому, когда мы устанавливаем их на алюминиевую основу, они действуют как теплораспределитель и являются неотъемлемой частью печатной платы, которая помогает в теплопроводности.

Клей: Теплопроводящие кампаунды

При монтаже  светодиодных плат на радиаторы лучше всего использовать тепло проводящий материал для дальнейших шагов по оптимальным тепловым характеристикам. Мы рекомендуем эту эпоксидную смолу Arctic Silver или теплопроводную липкую ленту Hexa Therm, которая по сути является просто тепло проводящей двухсторонней лентой точной формы светодиодных звездообразных плат. HexaTherm не такой теплопроводящий, как эпоксидная смола, но он все равно сделает свое дело.

Материал радиатора

Теплопроводность материала радиатора напрямую влияет на то, насколько эффективно тепло рассеивается за счет теплопроводности. Медь – лучше, но из-за своей цены алюминий используется более широко и является материалом для большинства радиаторов. Термопласты, как и композитный светодиодный радиатор , могут использоваться для небольших светодиодов с меньшими требованиями к рассеиванию тепла. Использование термопластов может быть очень полезным, так как они могут быть отлиты в большем количестве форм и имеют гораздо меньший вес.

Форма радиатора

Термический перенос происходит на поверхности радиатора. Именно поэтому лучшие радиаторы имеют большую площадь поверхности. Это может быть достигнуто путем увеличения размера радиатора или использования ребристого радиатора. Одобренные радиаторы помогают, поскольку они обеспечивают намного больше поверхностей для передачи тепла. Принимая во внимание, что ребра рассеивают тепло, между ребрами все еще должно быть достаточно места для перемещения воздуха, чтобы создать разницу в температуре между ребрами и воздухом. Когда ребра сделаны слишком близко друг к другу, воздух между ними не охладится и станет почти такой же температуры, как ребра, которые остановят теплопередачу все вместе. Поэтому больше рёбер не означает автоматически лучшее охлаждение, вам нужны хорошо продумать конструкцию радиатора.

Отделка радиатора

Поверхность вашего радиатора также оказывает непосредственное влияние на теплопроводность. Окрашенная поверхность будет работать лучше, чем яркая, неокрашенная. Это также относится к анодированию и травлению радиаторов, которые уменьшат тепловое сопротивление и улучшат теплоотвод в целом.

Принудительная конвекция (воздушное охлаждение)

Как я уже говорил ранее, для больших светодиодных матриц или светильников, которые находятся в корпусе, где их поток воздуха невелик, вы можете рассмотреть какую-то систему вентиляции. Это поможет, поскольку воздух, окружающий ваш радиатор, в свою очередь, станет более холодным и позволит лучше переносить тепло от поверхности радиатора к наружной стороне.

Резюме

Вот и все, теперь вы должны знать, зачем вам светодиодный радиатор. Выбирая свой радиатор и находя, какой радиатор использовать, не забудьте учесть все факторы, которые влияют на тепло и процесс охлаждения:

1. Светодиодная мощность
2. Количество светодиодов, которые вы включаете
3. Температура среды, в которой будут работать светодиоды
4. Установлены ли светодиоды в закрытом или открытом пространстве.
5. Плотность установки светодиодных чипов.