Dissipateur de chaleurpour LED
Avec le développement continu de la technologie LED, les produits d’éclairage LED reçoivent de plus en plus d’attention.
Par rapport aux sources d'éclairage traditionnelles, les sources d'éclairage LED sont des lampes à lumière froide à semi-conducteurs, qui présentent les avantages d'une longue durée de vie, d'une efficacité lumineuse élevée, d'une absence de rayonnement, d'une consommation d'énergie réduite, d'une bonne résistance aux chocs et aux vibrations et d'une sécurité plus élevée. Aujourd’hui, alors que l’éclairage vert est généralement préconisé partout dans le monde, les LED ont été largement privilégiées en tant que source d’éclairage vert émergente.
Cependant, les produits d'éclairage LED sont sujets à la surchauffe pendant leur utilisation, en particulier certains produits d'éclairage LED haute puissance ont de graves problèmes de chauffage. Les LED sont des composants sensibles aux températures élevées. S'ils génèrent beaucoup de chaleur et que la température est trop élevée, cela affectera directement l'effet d'éclairage, la température de couleur de la lumière, etc. Et aura même un impact sérieux sur l'utilisation normale des produits d'éclairage LED.
01 L'effet de la température élevée sur les performances des produits d'éclairage LED
La dissipation thermique est une performance importante que doivent avoir les produits d’éclairage LED. Dans la vraie vie, les produits d'éclairage LED sont souvent utilisés dans différents environnements, ce qui a également un impact important sur l'efficacité des produits d'éclairage LED. Afin d'améliorer la capacité de dissipation thermique des produits d'éclairage LED, il est nécessaire d'étudier l'effet de la température élevée sur les performances des produits d'éclairage LED.
1.1 Une température élevée provoque des dommages permanents aux LED
Compte tenu des caractéristiques de fonctionnement de la LED, si la température de fonctionnement est supérieure à la température maximale que la LED peut supporter, l'efficacité lumineuse de la LED chutera rapidement et une forte dégradation de la lumière se formera, ce qui entraînera des dommages. la LED. Les LED sont pour la plupart encapsulées dans une résine polysulfone/époxy transparente. Si la température de pyrolyse est supérieure à la température de transition du contenu solide (généralement 15 degrés), le matériau d'étanchéité se transformera en un état colloïdal et le coefficient de dilatation thermique augmentera fortement, ce qui entraînera un circuit ouvert et des dommages à la LED.
1.2 Une température élevée réduira la durée de vie des LED
Différentes marques de LED ont des caractéristiques différentes de dégradation de la lumière. Les fabricants de LED fournissent généralement des courbes d’atténuation de la lumière standard comme base pour la sélection des produits LED. La durée de vie d’une LED est étroitement liée à la dégradation de sa lumière. Plus elle est utilisée longtemps, plus l'éclairement de la LED sera faible jusqu'à ce qu'elle s'éteigne finalement. Généralement, la durée de vie d'une LED est définie comme le moment où le flux lumineux de la LED diminue de 30 %. Une température élevée entraînera une dégradation de la lumière LED et réduira sa durée de vie.
(1) Les défauts existants dans la puce LED se développeront rapidement à température ambiante élevée jusqu'à envahir la zone émettrice de lumière, ce qui entraînera un grand nombre de centres de recombinaison non radiatifs, ce qui affecte grandement l'efficacité lumineuse de la LED. Dans un environnement à haute température, des micro-défauts dans le matériau et des impuretés à propagation rapide provenant de l'interface et de la carte seront également introduits dans la région émettrice de lumière, formant un grand nombre de niveaux d'énergie profonds, accélérant ainsi la dégradation de la lumière de le dispositif LED.
(2) Lorsque la température est élevée, le matériau en résine époxy conductrice transparente se dénature et jaunit, ce qui endommagera sérieusement ses performances de transmission de la lumière.
(3) La dégradation lumineuse des luminophores est également un facteur majeur affectant la dégradation lumineuse des LED, et la dégradation des luminophores à haute température est très forte.
1.3 Une température élevée affectera l'effet lumineux de la LED
Certains paramètres des matériaux constitutifs de la LED changeront avec la température ambiante, ce qui entraînera des modifications des paramètres du dispositif LED et affectera directement le rendement lumineux de la LED. En général, le processus de diminution du flux lumineux avec l’augmentation de la température est réversible. Lorsque la température ambiante revient à la température initiale, le flux lumineux connaîtra une augmentation de récupération. En effet, lorsque la température revient à l'état initial, les paramètres internes de l'élément LED ne changent plus et le flux lumineux de la LED peut revenir à la valeur de l'état initial. Le flux lumineux d'une LED est divisé en lumens froids et en lumens chauds, qui représentent respectivement le rendement lumineux de la LED à température ambiante et à température ambiante.
Les raisons spécifiques pour lesquelles une température élevée affecte l'effet lumineux des LED sont les suivantes :
(1) À mesure que la température ambiante augmente, la concentration d'électrons et de trous dans les produits d'éclairage LED augmentera, mais la mobilité des électrons diminuera en raison de la réduction de la bande passante interdite.
(2) À mesure que la température ambiante augmente, la probabilité de recombinaison des électrons dans le puits de potentiel et du rayonnement dans les trous sera considérablement réduite, formant une recombinaison non radiative, réduisant ainsi l'efficacité quantique interne de la LED.
(3) L'augmentation de la température ambiante déplacera le pic de lumière bleue de la LED vers la direction des ondes longues, ce qui entraînera une inadéquation entre la longueur d'onde d'émission de la LED et la longueur d'onde d'excitation du phosphore, entraînant une diminution de la efficacité d'extraction de la lumière extérieure par la LED.
(4) À mesure que la température ambiante augmente, l’efficacité quantique du phosphore diminue et le rendement lumineux diminue.
(5) Les performances du gel de silice sont grandement affectées par la température. À mesure que la température de fonctionnement augmente, la contrainte thermique à l'intérieur du gel de silice augmente et l'indice de réfraction du gel de silice diminue, ce qui affecte directement l'efficacité lumineuse de la LED.
(Dissipateur thermique à ailettes en aluminium)
02 Problèmes de dissipation thermique des produits d'éclairage LED
Les produits d'éclairage LED ont généralement des problèmes de dissipation thermique. En revanche, bien que les lampes à incandescence et fluorescentes présentent d'importantes pertes de puissance, ces lampes peuvent être directement irradiées par la lumière ultraviolette et la source de chaleur de la source lumineuse est très faible. Dans l'énergie consommée par les produits d'éclairage LED, outre la partie convertie en sources de lumière visible, d'autres sources d'énergie sont converties en chaleur.
De plus, la petite taille du boîtier LED rend difficile la dissipation de la chaleur par convection et rayonnement, accumulant ainsi une grande quantité de chaleur.
2.1 La dilatation thermique provoque la flexion et la fissuration des pièces
Les produits d'éclairage LED sont composés de nombreuses pièces, et les matériaux des différentes pièces sont différents, et l'étendue de la dilatation et de la contraction thermiques est également différente. Lors de la dilatation thermique, les matériaux des composants se plient et se fissurent, ce qui entraîne une mauvaise dissipation thermique du produit et réduit considérablement l'efficacité d'utilisation des produits LED.
2.2 Obstacles opérationnels des circuits électroniques
Si la température de fonctionnement des composants conducteurs augmente, l'impédance de l'alimentation diminuera et il est facile d'entrer dans un cercle vicieux de « augmentation de la température – réduction de l'impédance – augmentation de la tension – amélioration thermique – augmentation de la température », et même brûler. .
2.3 Une température élevée entraîne une détérioration de la qualité du matériau
D'une manière générale, les matériaux métalliques utilisés dans les produits d'éclairage LED sont faciles à oxyder et plus la température est élevée, plus le taux d'oxydation est rapide. L'oxydation à haute température peut raccourcir la durée de vie des produits d'éclairage LED.
03 Facteurs influençant les performances de dissipation thermique des produits d'éclairage LED
3.1 Influence de la direction du vent sur les performances de dissipation thermique des produits d'éclairage LED
Les chercheurs ont mené des expériences sur l'effet de la direction du vent sur la dissipation thermique des produits d'éclairage LED. D'une manière générale, dans l'environnement de simulation du monde réel, il existe trois types de directions du vent : horizontale vers la droite, verticale vers le haut et verticale vers le bas, et la vitesse maximale du vent ne dépassera pas 1,50 m/s. Au cours de l'expérience, il est nécessaire de s'assurer que les produits d'éclairage LED utilisés par les différents groupes sont exactement les mêmes, à l'exception des différentes directions du vent, toutes les autres variables doivent rester inchangées. Pendant l'expérience, faites attention à mesurer la température du produit d'éclairage LED et calculez le taux de dissipation thermique du produit d'éclairage LED sous différents vents. Grâce à des expériences, il a été constaté que le processus de dissipation thermique des produits d'éclairage LED est fortement affecté par le vent vertical. Cela est principalement dû au fait que la direction verticale du vent vers le bas est opposée à la direction naturelle de la convection de l'air, ce qui modifie la température maximale des produits d'éclairage LED.
3.2 Influence de la vitesse du vent sur les performances de dissipation thermique des produits d'éclairage LED
Afin de comprendre l'effet de la vitesse du vent sur les performances de dissipation thermique des produits d'éclairage LED, les chercheurs ont également mené des expériences. Dans l'expérience, il faut s'assurer que l'environnement extérieur est cohérent, puis augmenter progressivement la vitesse du vent. Lorsque la direction du vent est verticalement vers le bas et que la vitesse du vent est faible, la température maximale du produit d'éclairage LED est plus élevée ; à mesure que la vitesse du vent augmente, la température du produit d'éclairage LED diminuera progressivement.
04 Contre-mesures d'optimisation de la dissipation thermique pour les produits d'éclairage LED
Lors de la conception de la structure de dissipation thermique des produits d'éclairage LED, moins il y a de couches structurelles, plus l'épaisseur de la couche est fine, plus le volume de la couche est grand, plus la conductivité thermique du matériau est grande et meilleure est la dissipation thermique. . De plus, la forme de la lampe doit choisir un bloc rectangulaire ou un anneau. La conception de dissipation thermique des produits d'éclairage LED doit suivre le principe de conception des dissipateurs thermiques passifs et des dissipateurs thermiques actifs en complément, et minimiser ou éliminer les méthodes de dissipation thermique active.
4.1 Sélection raisonnable du dissipateur thermique
Lors de l'emballage des LED, il n'y a pas de connexion directe aux dissipateurs de chaleur ou aux ventilateurs électriques, et les circuits imprimés de puissance des LED génèrent beaucoup de chaleur, ce qui rend le refroidissement et la dissipation thermique des produits d'éclairage LED un problème très difficile. À cet égard, une sélection raisonnable de dissipateurs thermiques est requise. Le dissipateur thermique peut étendre la zone de contact mutuel entre la surface du produit d'éclairage à LED et l'air intérieur, améliorant ainsi l'efficacité de refroidissement et de dissipation thermique du produit d'éclairage à LED.
4.1.1 Sélection des ailerons
Généralement, la surface extérieure du dissipateur thermique est usinée en ailettes. Il existe de nombreux types d'ailerons, et le nombre, la position, les spécifications, l'angle d'inclinaison et l'épaisseur des ailerons doivent être soigneusement sélectionnés en fonction des besoins. En plus de la forme linéaire ordinaire, les nageoires ont également des formes ondulées, en spirale, oblongues et tronconiques. Le but de fabrication de chaque forme est de faciliter la convection de l'air intérieur, l'évacuation de l'eau de pluie, etc. afin d'obtenir le meilleur effet de dissipation thermique. .
Les fabricants utilisent principalement des méthodes de production de frittage et de rainurage pour produire des dissipateurs thermiques. Les caloducs frittés de même spécification ont les mêmes performances que les caloducs rainurés. Parmi eux, lorsque le caloduc est fritté, une grande quantité de poudre de cuivre sera utilisée comme charge, ce qui entraînera un petit diamètre capillaire du caloduc et un faible pouvoir de pénétration. Lorsque la largeur du caloduc fritté augmente, l'effet de conduction thermique du caloduc sera affaibli. Par conséquent, il est nécessaire de sélectionner les ailettes et les caloducs appropriés à utiliser. Par exemple, en tant que dispositif d'éclairage LED très typique, des méthodes de dissipation thermique telles que caloduc plus ailettes, caloduc à chambre à vapeur plus ailettes, etc. sont utilisées dans l'utilisation des lampadaires LED pour améliorer l'efficacité de dissipation thermique des lampadaires.
4.1.2 Sélection des matériaux
Parmi les matériaux du dissipateur thermique, la conductivité thermique du cuivre est meilleure que celle de l'aluminium, mais la vitesse de dissipation thermique du cuivre est plus lente que celle de l'aluminium. Par conséquent, un nouveau dissipateur thermique composite cuivre-aluminium peut être utilisé en combinant les avantages du cuivre et de l’aluminium. Dans le dissipateur thermique composite cuivre-aluminium, le cuivre peut rapidement amener la chaleur élevée générée par la LED à l'aluminium, puis la chaleur élevée est dissipée par les ailettes en alliage d'aluminium, améliorant ainsi l'efficacité de la dissipation thermique.
4.1.3 Sélection des tubes dissipateurs de chaleur
Le tube du dissipateur thermique est une partie importante du dissipateur thermique. Lorsque l'extrémité chauffante du dissipateur thermique vient de chauffer, l'eau près de la paroi du tube se vaporise instantanément, formant une grande quantité de vapeur d'eau, ce qui augmente la pression de cette partie. La vapeur d'eau se déplacera vers l'extrémité de refroidissement sous l'effet de la pression de l'eau. Lorsque le flux de vapeur atteint l'extrémité de refroidissement, il se condense à l'état liquide, libère une grande quantité d'énergie thermique, puis atteint l'extrémité de chauffage par transpiration par force capillaire pour terminer un cycle.
Pour certains produits d'éclairage LED ayant une consommation d'énergie élevée et des exigences élevées en matière de dissipateurs thermiques, des caloducs métalliques peuvent être sélectionnés comme tubes dissipateurs thermiques. Les produits d'éclairage LED génèrent beaucoup de chaleur lorsqu'ils fonctionnent, et lorsque la chaleur est transmise à l'intérieur des produits d'éclairage LED, elle sera directement transférée au caloduc métallique via le dissipateur thermique. Étant donné que le caloduc métallique est chauffé, aucune chaleur n’est perdue pendant le transfert de chaleur. L'énergie thermique peut être générée à l'intérieur de la section de condensation du caloduc, et l'énergie thermique peut être transportée vers l'intérieur du caloduc et progressivement transférée à la feuille de dispersion du matériau métallique grâce à l'effet de conduction thermique. L'énergie thermique peut être dissipée de la feuille de dispersion de matériau métallique grâce au processus de propagation thermique naturelle de la feuille de dispersion et de l'air de refroidissement environnant.
4.2 Conception raisonnable du radiateur
Dans la conception réelle du radiateur, la combinaison d'un radiateur externe et d'un boîtier de lampe ainsi que la combinaison d'un radiateur intégré et d'un ventilateur à température contrôlée sont généralement adoptées. La chaleur générée par le dispositif LED peut être déplacée vers la carte de circuit intégré via les fils scellés, puis dissipée via le dissipateur thermique ; l'énergie thermique générée par la carte de circuit imprimé de puissance peut être directement dispersée vers l'extérieur à travers le dissipateur thermique à travers l'air et les matériaux de remplissage autour de la carte de circuit intégré. Afin d'éliminer les facteurs affectant l'efficacité du transfert de chaleur dans le chemin de transfert de chaleur, un matériau ayant une meilleure conductivité thermique peut être utilisé dans le chemin de transfert de chaleur, le volume en coupe transversale du chemin peut être augmenté ou un lubrifiant conducteur thermique peut être utilisé. être appliqué, de sorte qu'il n'y ait pas de lacunes dans les joints des produits. Si les ailettes de refroidissement ne parviennent pas à évacuer la chaleur vers l'extérieur, une grande quantité de chaleur peut s'accumuler à l'intérieur de l'appareil LED. À cet égard, il est nécessaire de prendre des mesures pour optimiser la structure superficielle des ailettes de refroidissement. Une méthode typique consiste à installer davantage d’ailettes sur la surface pour augmenter la zone de dissipation thermique du radiateur.
4.3 Sélectionnez le processus d'emballage en fonction de la situation réelle
La chaleur interne générée par la LED peut être transmise au circuit imprimé métallique à travers la couche adhésive, puis transmise du circuit imprimé au dissipateur thermique à travers la couche adhésive, puis rayonnée vers l'environnement. Le processus de scellement, le matériau de liaison et le matériau du substrat sont les points clés de la conception de la dissipation thermique des LED. L'énergie thermique générée par la LED doit être transférée au substrat en Si à travers la couche de connexion, puis transférée à la base de support métallique à travers le substrat en Si et le matériau de liaison. La structure doit avoir de bonnes propriétés électriques et thermiques.
4.4 Choisir le bon matériau de liaison
Afin d'améliorer la capacité de dissipation thermique des produits d'éclairage à LED, il est nécessaire de sélectionner des matériaux de liaison appropriés et de faire du bon travail dans la conception de base des produits d'éclairage à LED. D'une manière générale, les produits d'éclairage LED utiliseront des matériaux adhésifs, et les matériaux adhésifs seront affectés par la température et l'humidité extérieures. Avec le développement continu de la science et de la technologie, les gens ont également amélioré les matériaux adhésifs. Lors de la conception de produits d'éclairage à LED, vous pouvez choisir des matériaux de liaison appropriés en fonction de la situation réelle des produits d'éclairage, améliorer la conductivité thermique et la conductivité électrique des matériaux de liaison, simplifier sa structure interne et améliorer la capacité de dissipation thermique des produits d'éclairage à LED.
05Conclusion
Avec le développement de la science et de la technologie, afin de résoudre le problème de la dissipation thermique des produits d'éclairage LED, il est nécessaire de sélectionner des matériaux de construction appropriés tels que des caloducs métalliques en fonction de la situation réelle. Lors de l'utilisation de produits d'éclairage LED, les utilisateurs doivent non seulement prêter attention aux performances de dissipation thermique des produits, mais également à l'influence des facteurs environnementaux sur la dissipation thermique des produits d'éclairage LED.
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