LED hűtési módszer és anyag

A kezdeti single-chip LED-ek nem voltak nagyon erőteljesek, korlátozott hőtermeléssel rendelkeztek, és kevés termikus problémájuk volt, így a csomag viszonylag egyszerű volt. Az utóbbi években azonban a LED-anyag technológia folyamatos áttörésével a LED csomagolási technológiája is megváltozott. A korai egy chipes pisztoly-csomagból fokozatosan egy lapos, nagy területű, több chipes csomagmodul lett; üzemi áramja a 20mA korai kezdetektől származik. A bal és jobb oldali kis teljesítményű LED-ek az aktuális nagy teljesítményű LED-ekre körülbelül 1/3 és 1A között haladtak. Az egyetlen LED bemeneti teljesítménye akár 1W vagy annál is nagyobb, és még a 3W és 5W csomagok is fejlődtek.

Mivel a magas fényerő és a nagy teljesítményű LED-rendszer által okozott hőprobléma a kulcsfontosságú a termék működésének befolyásolására, a LED-komponens által a környező környezetben keletkező hő gyors kiürítéséhez, el kell kezdeni a a csomag szintjének termikus kezelése (L1 és L2). Jelenleg az iparági gyakorlat az, hogy a hőcserélőn keresztül csökkenti a csomagmodul termikus impedanciáját azáltal, hogy a LED chipet forrasztással vagy termikus pasztával forrasztja egy hőterelőre.

Számos terminálalkalmazás, mint például a mini projektorok, az autóipari és a világítási források, több mint ezer lumenre vagy tízezer lumenre van szükség egy adott területen. Az egy chipes modulok egyértelműen nem megfelelőek. A többlépcsős LED-csomaghoz való csatlakozás és a chip közvetlen összekapcsolása az aljzattal a jövőbeni fejlődési trend.

A hőelvezetési probléma a világítótestek LED-ek fejlesztésének fő akadálya. Kerámia- vagy hőcsövek használata hatékony módja a túlmelegedés megelőzésének. A hőkezelési megoldás azonban növeli az anyagok költségét. A nagy teljesítményű LED-es hőkezelési tervezés célja, hogy hatékonyan csökkentsék az R-csatlakozást, az egyik olyan anyag alapú megoldás, amely hőtől való elválasztást biztosít a chipből, alacsony hőállóságot biztosít, de magas vezetőképességet biztosít, lehetővé téve a hő közvetlen átvitelét a forgácsból a szerszámcsatlakozón vagy a forró fém módszerekkel. A csomagház külső része.

Természetesen a LED-ek hőelvezetési komponensei hasonlóak a CPU-k hőelvezetéséhez. Ezek főleg léghűtéses modulok, amelyek hűtőbordákból, hőcsövekből, ventilátorokból és termikus interfész anyagokból állnak. Természetesen a vízhűtés szintén a termikus ellenintézkedések közé tartozik. A jelenlegi legmelegebb nagyméretű LED TV háttérvilágítás-modulban a 40 hüvelykes és 46 hüvelykes LED-es háttérvilágítások 470W és 550W bemeneti teljesítményűek, amelyek 80% -a hővé alakul, és a szükséges hőelnyelés körülbelül 360W és 440W vagy úgy.

Szóval hogyan veszi el ezt a hőt? Jelenleg az iparban hűtési módszerek vannak, de kétségek merülnek fel a magas egységár és a megbízhatóság tekintetében. Hűtéshez hasznos a hőelvezető csövek és ventilátorok használata is.

Hőelvezetési módszer

Általában a hűtőborda aktív hűtőbordára és passzív hűtőbordára osztható, ahogyan a hőt a hűtőbordából eltávolítják. Az úgynevezett passzív hőelvezetés azt jelenti, hogy a hőforrás LED-es fényforrás hőt természetesen sugárzik a levegőbe a hűtőbordában, és a hőelvezetési hatás arányos a hűtőborda méretével, de a természetes hő miatt az eloszlás, a hatás természetesen nagymértékben csökken, és gyakran használatos ezekben a térterekben. Olyan berendezésekben, amelyek nem szükségesek, vagy a hő csökkentésére használják olyan komponensekre, amelyek kevesebb hőt termelnek. Néhány népszerű alaplap például passzív hőelvezetést is alkalmaz az északi hídon. Legtöbbjük aktív hőelvezetést alkalmaz. Az aktív hőelvezetést a hűtőbordák, például a ventilátorok kényszerítik. A hűtőborda által kibocsátott hőt elveszik, amelyre jellemző a magas hőelvezetési hatékonyság és az eszköz kis mérete.

A hőelvezetési módszerből felosztott aktív hőelvezetés levegőhűtés, folyadékhűtés, hőcsőhűtés, félvezető hűtés, kémiai hűtés stb.

A levegőhűtésű levegőhűtés a hőelvezetés leggyakoribb formája, és ezzel szemben olcsóbb is. A levegőhűtés lényegében olyan ventilátor, amely elveszi a hűtőborda által elnyelt hőt. A viszonylag alacsony ár és a kényelmes telepítés előnyei. Ez azonban nagymértékben függ a környezettől, mint például a hőmérséklet emelkedése és a túlmelegedés.

Folyadékhűtés

A folyadékhűtő hőt arra kényszerítik, hogy a szivattyú által a szivattyú vezetése alatt keringesse a radiátor hőjét. A léghűtéshez képest a csendesség, a stabil hőmérséklet-stabilitás és a környezettől való alacsony függőség előnyei vannak. A folyadékhűtés ára viszonylag magas, és a telepítés viszonylag nehézkes. Ezzel egyidejűleg a lehető legjobban telepítse a használati utasításban leírt utasításokat, hogy a lehető legjobb hőelvezetést érje el. Költség és könnyű használat miatt a folyadékhűtés hőeloszlása általában vizet használ hőátadó folyadékként, így a folyadékhűtéses hűtőbordákat gyakran vízhűtéses hűtőbordáknak nevezik.

Hővezeték

A hőcső egy hőátadó elemhez tartozik, amely teljes mértékben kihasználja a hővezető elv és a hűtőközeg gyors hőátadási elvét, és a hőt a folyadék elpárologtatásával és kondenzációjával a teljesen zárt vákuumcsőbe továbbítja, és rendkívül magas. hővezető képesség és jó izoterm hőmérséklet. A meleg és hideg oldalak mindkét oldalán a hőátadási terület tetszőlegesen megváltoztatható, a hőátadás nagy távolságra, a hőmérséklet szabályozható és hasonlók, és a hőcserélőből álló hőcserélő nagy hőátadási hatékonysággal rendelkezik. , kompakt szerkezet, kis folyadékállóság stb. Hővezető képessége messze meghaladta bármely ismert fém hővezető képességét.

Félvezető hűtés

A félvezető hűtés egy speciális félvezető hűtő chipet használ, hogy a hűtéshez hőmérsékletkülönbséget hozzon létre, amikor áramot kap. Mindaddig, amíg a magas hőmérsékleten lévő hő hatékonyan eloszlik, az alacsony hőmérsékletű véget folyamatosan hűtjük. Hőmérsékletkülönbség keletkezik minden egyes félvezető részecskén, és egy hűtőlapot alakítunk ki úgy, hogy több tucat ilyen részecskéket sorozunk össze, hogy a hűtőközeg-lemez mindkét felületén hőmérsékletkülönbséget hozzon létre. Ezzel a hőmérsékletkülönbség jelenséggel a levegőhűtés / vízhűtés használható a magas hőmérsékletű hűtéshez, és kiváló hőelvezetési hatás érhető el. A félvezető hűtés előnyei az alacsony hűtési hőmérséklet és a nagy megbízhatóság. A hideg felület hőmérséklete eléri a 10 ° C-ot, de a költség túl magas, és az alacsony hőmérséklet miatt rövidzárlatot okozhat. Most a félvezető hűtőfólia nem elég érett. gyakorlati.

Kémiai hűtés

Az úgynevezett kémiai hűtőberendezés néhány ultra-alacsony hőmérsékletű vegyi anyag használata, amelyek az olvasztás során nagy mennyiségű hőt szívnak fel a hőmérséklet csökkentése érdekében. A száraz jég és folyékony nitrogén alkalmazása ennél gyakrabban fordul elő. Például a szárazjég használata csökkentheti a hőmérsékletet mínusz 20 ° C alá, és néhány "perverz" játékos folyékony nitrogént használ, hogy csökkentsék a CPU-hőmérsékletet mínusz 100 ° C-nál (elméletileg), a magas ár miatt. és a rövid időtartam, ez a módszer gyakrabban fordul elő a laboratóriumban vagy extrém overclocking rajongóknál.

Anyagválasztás

Hőátviteli együttható (egység: W / mK)

Ezüst 429

Réz 401

Arany 317

Alumínium 237

Vas 80

Vezeték 34.8

1070 alumínium ötvözet 226

1050 alumínium ötvözet 209

6063 típusú alumínium ötvözet 201

6061 típusú alumínium ötvözet 155

Általában a rendes léghűtéses radiátorok természetesen a fűtőtest anyagaként választják ki a fémet. A kiválasztott anyagok esetében kívánatos, hogy mind magas fajlagos hő, mind magas hővezető képesség legyen. A fentiek közül az ezüst és a réz a legjobb termikus anyagok, amelyet arany és alumínium követ. Az arany és ezüst azonban túl drága, így a jelenlegi hűtőborda elsősorban alumíniumból és rézből készül. Összehasonlításképpen, mind a réz, mind az alumínium ötvözet saját előnyei és hátrányai: a réz jó hővezető képességgel rendelkezik, de az ár viszonylag drága, a feldolgozás nehéz, a súly túl nagy, és a réz hűtőborda hőteljesítménye kicsi , és könnyen oxidálható. . Másrészt, a tiszta alumínium túl puha ahhoz, hogy közvetlenül használhassa. Az alkalmazott alumíniumötvözet elegendő keménységet biztosít. Az alumíniumötvözet előnye, hogy olcsó és könnyű, de a hővezető képesség sokkal rosszabb, mint a réz. Ezért a radiátor fejlesztésének történetében a következő anyagok jelentek meg:

Tiszta alumínium radiátor

A tiszta alumínium radiátorok a legelterjedtebb radiátorok az első napokban. A gyártási folyamat egyszerű és a költség alacsony. Eddig a tiszta alumínium radiátorok még mindig a piac jelentős részét foglalják el. A bordák hőelvezetési területeinek növelése érdekében a tiszta alumínium radiátorok leggyakoribb feldolgozási módja az alumínium extrudáló technológia, és a tiszta alumínium radiátor értékelésének fő mutatója a radiátor alap vastagsága és a Pin-Fin arány. A tű a hűtőborda uszonyainak magasságára utal, és Fin a két szomszédos uszony közötti távolságra utal. A Pin-Fin arány a Pin magassága (a bázis vastagságának kivételével) és a Fin. Minél nagyobb a Pin-Fin arány, annál nagyobb a hőelnyelő tényleges hőelvezetési területe, ami azt jelenti, hogy az alumínium extrudálási technológia fejlettebb.

Tiszta réz radiátor

A réz hőátadási együtthatója 1,69-szerese az alumíniumnak, így a tiszta rézhűtők gyorsabban tudják eltávolítani a hőforrást a hőforrásokból, minden más egyenlő. A réz szerkezete azonban problémát jelent. Sok "tiszta réz radiátor" nem igazán 100% réz. A rézlistában a 99% -ot meghaladó réz savmentes réznek nevezzük, és a következő réz a 85% -nál kevesebb réztartalmú réz. A mai piacon a legtöbb tiszta rézhűtő réztartalma valahol van. Néhány gyengébb, tiszta réz radiátor nem tartalmaz 85% -os réztartalmat. Bár a költség nagyon alacsony, a hőátadási kapacitása jelentősen csökken, ami befolyásolja a hőelvezetést. Ezen túlmenően a réznek nyilvánvaló hiányosságai, magas költsége, nehéz feldolgozása is van, és a túl nagy hőelnyelők akadályozzák az összes réz hőelvezető alkalmazását. A vörös réz keménysége nem olyan jó, mint az AL6063 alumíniumötvözeté. Néhány mechanikus feldolgozás (pl. Hornyolás stb.) Nem olyan jó, mint az alumínium; a réz sokkal magasabb olvadásponttal rendelkezik, mint az alumínium, ami nem segíti elő az extrudálást és más problémákat.

Réz-alumínium kötési technológia

A két anyag, a réz és az alumínium hiányosságainak mérlegelése után egyes piacon a high-end hűtőbordák réz és alumínium kombinációját használják. Ezek a hűtőbordák általában rézfém alapanyagot használnak, míg a hűtőbordák alumíniumötvözetet használnak. A rézbázis mellett olyan módszerek is léteznek, mint a rézcső alkalmazása a hűtőborda számára, ami ugyanaz az elv. Magas hővezetőképességgel a réz alja gyorsan felszívja a CPU által kibocsátott hőt; az alumínium bordák olyan formájúak lehetnek, amelyek a legkedvezőbbek a hőelvezetésre a bonyolult folyamatok révén, és nagy hőterhelést és gyors kioldást biztosítanak. A mérleg minden szempontból megtalálható.

A LED-es világítási hatékonyság és élettartam javítása érdekében a LED-termékek hőeloszlási problémájának megoldása az egyik legfontosabb kérdés ebben a szakaszban. A LED-i ipar fejlesztése a nagy teljesítményű, nagy fényerejű és kis méretű LED-ek fejlesztésére is összpontosít. A magas hőelvezetéssel és a pontos mérettel rendelkező hőelnyelő szubsztrátum a LED hőelvezető szubsztrátok jövőbeni fejlesztésének trendjévé vált. Jelenleg az alumínium-oxid-szubsztrátot egy alumínium-nitrid-szubsztrát helyettesíti, vagy az aranyhuzal eutektikus vagy flip-chip-eljárással való helyettesítésére szolgáló szerszám / szubsztrát kötési eljárást alkalmazzuk a LED fényerősségének javítására. Ennek a fejlődési trendnek az alapján a hőelvezető szubsztrátum magasságának pontossága rendkívül szigorú, és magas hőelvezetés, kis méret és a fém vonalak jó tapadása szükséges. Ezért egy vékony film kerámia hőelvezető szubsztrátot állít elő sárga fény mikro-árnyékolással. Az egyik fontos katalizátor lesz a LED folyamatos nagy teljesítményének előmozdítása érdekében.