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Método y material de enfriamiento por LED
Dec 20, 2018

Los LED de un solo chip iniciales no eran muy potentes, tenían una generación de calor limitada y tenían pocos problemas térmicos, por lo que el paquete era relativamente simple. Sin embargo, con el avance continuo de la tecnología de material LED en los últimos años, la tecnología de envasado del LED también ha cambiado. Desde el paquete inicial tipo pistola de un solo chip, gradualmente se ha convertido en un módulo de paquete de múltiples chips plano y de gran área; Su corriente de funcionamiento es desde principios de 20mA. Los LED de baja potencia de la izquierda y la derecha han progresado a los LED de alta potencia actuales de aproximadamente 1/3 a 1A. La potencia de entrada de un solo LED es tan alta como 1W o más, e incluso los modos de paquete de 3W y 5W están más evolucionados.

Dado que el problema de calor causado por el sistema LED de alto brillo y alta potencia será la clave para afectar la función del producto, para descargar rápidamente el calor generado por el componente LED al entorno circundante, es necesario comenzar con Gestión térmica del nivel de paquete (L1 & L2). En la actualidad, la práctica de la industria es reducir la impedancia térmica del módulo del paquete a través del esparcidor de calor soldando el chip LED con soldadura o pasta térmica en un esparcidor de calor.

Muchas aplicaciones de terminales, como miniproyectores, automotrices y fuentes de iluminación, requieren más de mil lúmenes o decenas de miles de lúmenes para un área determinada. Los módulos de paquetes de un solo chip son claramente inadecuados. Ir al paquete de LED de múltiples chips y unir directamente el chip al sustrato es una tendencia de desarrollo futuro.

El problema de la disipación de calor es el principal obstáculo en el desarrollo de LED para iluminar objetos. El uso de tubos de cerámica o de calor es una forma efectiva de evitar el sobrecalentamiento. Sin embargo, la solución de gestión de calor aumenta el costo de los materiales. El propósito del diseño de gestión de calor por LED de alta potencia es reducir efectivamente la unión R a la caja. Una de las soluciones basadas en material que proporciona la disipación de calor del chip, proporciona una baja resistencia térmica pero una alta conductividad, permitiendo que el calor se transfiera directamente Desde el chip a través del troquel o métodos de metal caliente. El exterior del paquete de vivienda.

Por supuesto, los componentes de disipación de calor de los LED son similares a la disipación de calor de las CPU. Son principalmente módulos enfriados por aire compuestos de disipadores de calor, tuberías de calor, ventiladores y materiales de interfaz térmica. Por supuesto, el enfriamiento con agua es también una de las medidas de protección térmica. En el módulo de retroiluminación LED para televisores de gran tamaño más actual, las retroiluminaciones LED de 40 y 46 pulgadas tienen potencias de entrada de 470W y 550W respectivamente, el 80% de las cuales se convierten en calor, y la disipación de calor requerida es de 360W y 440W más o menos.

Entonces, ¿cómo te llevas este calor? En la actualidad, existen métodos de enfriamiento por agua para refrigerar en la industria, pero existen dudas sobre el alto precio unitario y la confiabilidad. También es útil usar tubos de calor con disipadores de calor y ventiladores para enfriar.

Método de disipación de calor

En general, el disipador de calor se puede dividir en disipador de calor activo y disipador de calor pasivo de acuerdo con la forma en que se elimina el calor del disipador de calor. La llamada disipación de calor pasiva significa que el calor de la fuente de luz LED se irradia naturalmente al aire a través del disipador de calor, y el efecto de disipación de calor es proporcional al tamaño del disipador de calor, pero debido al calor natural. disipación, el efecto se reduce considerablemente, por supuesto, y se utiliza a menudo en esos espacios espaciales. En equipos que no se requieren, o que se utilizan para disipar el calor de los componentes que generan menos calor. Por ejemplo, algunas placas base populares también adoptan la disipación de calor pasiva en el puente norte. La mayoría de ellos adoptan la disipación de calor activa. La disipación de calor activa es forzada por los disipadores de calor como los ventiladores. El calor emitido por el disipador de calor se elimina, que se caracteriza por una alta eficiencia de disipación de calor y un tamaño pequeño del dispositivo.

La disipación de calor activa, subdividida del método de disipación de calor, se puede dividir en refrigeración por aire, refrigeración por líquido, refrigeración por tubería de calor, refrigeración por semiconductores, refrigeración química, etc.

El calor enfriado por aire enfriado por aire es la forma más común de disipación de calor, y en comparación, también es una forma más barata. El enfriamiento por aire es esencialmente un ventilador que elimina el calor absorbido por el disipador de calor. Tiene las ventajas de un precio relativamente bajo y una instalación conveniente. Sin embargo, depende en gran medida del entorno, como el aumento de las temperaturas y el rendimiento por sobrecalentamiento.

Refrigeración líquida

El calor de refrigeración líquida es forzado a hacer circular el calor del radiador por la bomba bajo la conducción de la bomba. En comparación con la refrigeración por aire, tiene las ventajas de silencio, estabilidad de temperatura estable y baja dependencia del medio ambiente. El precio de la refrigeración líquida es relativamente alto y la instalación es relativamente complicada. Al mismo tiempo, instálelo lo más posible de acuerdo con las instrucciones de las instrucciones para obtener la mejor disipación de calor. Por razones de costo y facilidad de uso, la disipación de calor por enfriamiento de líquidos usualmente utiliza agua como líquido de transferencia de calor, por lo que los disipadores de calor por enfriamiento de líquidos a menudo se conocen como disipadores de calor enfriados por agua.

Tubo de calor

La tubería de calor pertenece a un elemento de transferencia de calor, que utiliza completamente el principio de conducción de calor y la propiedad de transferencia de calor rápida del medio refrigerante, y transfiere el calor por evaporación y condensación del líquido en el tubo de vacío completamente cerrado, y tiene una temperatura extremadamente alta. Conductividad térmica y buena temperatura isotérmica. El área de transferencia de calor en ambos lados de los lados caliente y frío se puede cambiar arbitrariamente, la transferencia de calor puede ser de larga distancia, la temperatura se puede controlar, etc., y el intercambiador de calor compuesto por el tubo de calor tiene una alta eficiencia de transferencia de calor , estructura compacta, pequeña resistencia a fluidos, etc. ventaja. Su conductividad térmica ha superado con creces la conductividad térmica de cualquier metal conocido.

Refrigeración de semiconductores

La refrigeración de semiconductores utiliza un chip especial de refrigeración de semiconductores para generar una diferencia de temperatura para el enfriamiento cuando se energiza. Mientras el calor en el extremo de alta temperatura se pueda disipar efectivamente, el extremo de baja temperatura se enfría continuamente. Se genera una diferencia de temperatura en cada una de las partículas semiconductoras, y se forma una lámina de enfriamiento al conectar docenas de dichas partículas en serie para formar una diferencia de temperatura en ambas superficies de la lámina de refrigerante. Al utilizar este fenómeno de diferencia de temperatura, el enfriamiento por aire / enfriamiento por agua puede usarse para enfriar el extremo de alta temperatura, y se puede obtener un excelente efecto de disipación de calor. La refrigeración de semiconductores tiene las ventajas de una temperatura de refrigeración baja y una alta confiabilidad. La temperatura de la superficie fría puede llegar a menos de 10 ° C, pero el costo es demasiado alto y puede causar un cortocircuito debido a la baja temperatura. Ahora el proceso de la película de refrigeración de semiconductores no está lo suficientemente maduro. práctico.

Refrigeracion quimica

La llamada refrigeración química es el uso de algunos productos químicos de temperatura ultra baja, que los utilizan para absorber una gran cantidad de calor durante la fusión para reducir la temperatura. Es más común utilizar hielo seco y nitrógeno líquido en este sentido. Por ejemplo, el uso de hielo seco puede bajar la temperatura por debajo de menos 20 ° C, y algunos jugadores más "pervertidos" usan nitrógeno líquido para bajar la temperatura de la CPU por debajo de menos 100 ° C (en teoría), por supuesto, debido al alto precio y de corta duración, estos métodos son más comunes en el laboratorio o en los entusiastas extremos del overclocking.

Selección de materiales

Coeficiente de transferencia de calor (unidad: W / mK)

Plata 429

Cobre 401

Oro 317

Aluminio 237

Hierro 80

Plomo 34.8

Aleación de aluminio 1070 226

Aleación de aluminio 1050 209

Aleación de aluminio tipo 6063 201

Aleación de aluminio tipo 6061 155

En general, los radiadores ordinarios enfriados por aire eligen naturalmente el metal como material del radiador. Para los materiales seleccionados, es deseable tener un alto calor específico y una alta conductividad térmica. De lo anterior, la plata y el cobre son los mejores materiales térmicos, seguidos del oro y el aluminio. Sin embargo, el oro y la plata son demasiado caros, por lo que el disipador de calor actual está hecho principalmente de aluminio y cobre. En comparación, tanto el cobre como la aleación de aluminio tienen sus propias ventajas y desventajas: el cobre tiene una buena conductividad térmica, pero el precio es relativamente caro, el procesamiento es difícil, el peso es demasiado grande y la capacidad térmica del disipador de calor de cobre es pequeña , y es facil de oxidar. . Por otro lado, el aluminio puro es demasiado blando para ser usado directamente. La aleación de aluminio utilizada puede proporcionar suficiente dureza. La ventaja de la aleación de aluminio es que es barata y liviana, pero la conductividad térmica es mucho peor que el cobre. Por lo tanto, en la historia del desarrollo del radiador, han aparecido los siguientes materiales:

Radiador de aluminio puro

Los radiadores de aluminio puro son los radiadores más comunes en los primeros días. El proceso de fabricación es simple y el costo es bajo. Hasta ahora, los radiadores de aluminio puro todavía ocupan una parte considerable del mercado. Para aumentar el área de disipación de calor de las aletas, el método de procesamiento más común para los radiadores de aluminio puro es la tecnología de extrusión de aluminio, y el indicador principal para evaluar un radiador de aluminio puro es el espesor de la base del radiador y la relación Pin-Fin. Pin se refiere a la altura de las aletas del disipador de calor, y Fin se refiere a la distancia entre dos aletas adyacentes. La relación Pin-Fin es la altura de Pin (excluyendo el grosor de la base) dividida por Fin. Cuanto mayor sea la relación Pin-Fin, mayor será el área efectiva de disipación de calor del disipador de calor, lo que significa que la tecnología de extrusión de aluminio es más avanzada.

Radiador de cobre puro

El cobre tiene un coeficiente de transferencia de calor de 1.69 veces mayor que el del aluminio, por lo que los disipadores de calor de cobre puro pueden eliminar el calor de la fuente de calor más rápidamente, en igualdad de condiciones. Sin embargo, la textura del cobre es un problema. Muchos de los "radiadores de cobre puro" no son realmente 100% de cobre. En la lista de cobre, el cobre que contiene más del 99% se denomina cobre sin ácido, y el siguiente grado de cobre es el cobre que contiene menos del 85% de cobre. El contenido de cobre de la mayoría de los disipadores de calor de cobre puro en el mercado actual está en algún punto intermedio. Algunos radiadores inferiores de cobre puro ni siquiera contienen el 85% de cobre. Aunque el costo es muy bajo, su capacidad de transferencia de calor se reduce considerablemente, lo que afecta la disipación del calor. Además, el cobre también tiene defectos obvios, alto costo, procesamiento difícil y sumideros de calor demasiado grandes que dificultan la aplicación de los disipadores de calor de cobre. La dureza del cobre rojo no es tan buena como la de la aleación de aluminio AL6063. Algunos procesos mecánicos (como ranurado, etc.) no son tan buenos como el aluminio; El cobre tiene un punto de fusión mucho más alto que el aluminio, que no es propicio para la extrusión y otros problemas.

Tecnología de unión de cobre y aluminio.

Después de considerar las deficiencias de los dos materiales, el cobre y el aluminio, algunos disipadores de calor de alta gama en el mercado a menudo usan una combinación de cobre y aluminio. Estos disipadores de calor generalmente usan una base de metal de cobre, mientras que las aletas del disipador de calor usan aleación de aluminio. Además de la base de cobre, también hay métodos como el uso de un poste de cobre para el disipador de calor, que es el mismo principio. Con una alta conductividad térmica, el fondo de cobre puede absorber rápidamente el calor liberado por la CPU; Las aletas de aluminio se pueden convertir en una forma que sea más favorable para la disipación de calor mediante procesos complicados, y proporcionan un gran espacio de almacenamiento de calor y una liberación rápida. Un punto de equilibrio encontrado en todos los aspectos.

Para mejorar la eficiencia luminosa y la vida útil del LED, resolver el problema de disipación de calor de los productos LED es uno de los problemas más importantes en esta etapa. El desarrollo de la industria del LED también se centra en el desarrollo de productos LED de alta potencia, alto brillo y tamaño pequeño. El sustrato de disipación de calor con alta disipación de calor y tamaño preciso también se ha convertido en una tendencia en el desarrollo futuro de los sustratos de disipación de calor de LED. En la actualidad, el sustrato de óxido de aluminio se reemplaza por un sustrato de nitruro de aluminio, o se utiliza el método de unión de matriz / sustrato para reemplazar el cable de oro por un proceso eutéctico o de chip invertido para mejorar la eficiencia luminosa del LED. Bajo esta tendencia de desarrollo, la precisión de la alineación del sustrato de disipación de calor en sí es extremadamente estricta, y se requiere que tenga una alta disipación de calor, un tamaño pequeño y una buena adhesión de las líneas metálicas. Por lo tanto, se produce un sustrato cerámico de disipación de calor de película delgada mediante el uso de micro sombra de luz amarilla. Se convertirá en uno de los catalizadores importantes para promover la alta potencia continua de LED.