Die anfänglichen Single-Chip-LEDs waren nicht sehr leistungsfähig, wiesen eine begrenzte Wärmeentwicklung auf und hatten geringe thermische Probleme. Daher war das Gehäuse relativ einfach. Mit dem kontinuierlichen Durchbruch der LED-Materialtechnologie in den letzten Jahren hat sich jedoch auch die Verpackungstechnologie von LED geändert. Vom frühen Single-Chip-Kanonengehäuse hat es sich allmählich zu einem flachen, großflächigen Multi-Chip-Gehäusemodul entwickelt; Sein Betriebsstrom ist von Anfang 20mA. Die Low-Power-LEDs links und rechts haben die aktuellen High-Power-LEDs von etwa 1/3 bis 1A erreicht. Die Eingangsleistung einer einzelnen LED beträgt mindestens 1 W und sogar die 3 W- und 5 W-Gehäusemodi sind weiterentwickelt.
Da das durch das Hochleistungs - LED - System hervorgerufene Wärmeproblem der Schlüssel zur Beeinflussung der Funktion des Produkts ist, um die von der LED - Komponente erzeugte Wärme schnell an die Umgebung abzuleiten, ist es notwendig, mit dem Gerät zu beginnen Wärmemanagement der Paketebene (L1 und L2). Gegenwärtig besteht die Industriepraxis darin, die thermische Impedanz des Gehäusemoduls durch den Wärmeverteiler zu reduzieren, indem der LED-Chip mit Lot oder Wärmeleitpaste auf einem Wärmeverteiler gelötet wird.
Viele Terminalanwendungen, wie Mini-Projektoren, Automobil- und Beleuchtungsquellen, erfordern für ein gegebenes Gebiet mehr als eintausend oder zehntausend Lumen. Single-Chip-Package-Module sind eindeutig unzureichend. Die Entwicklung des Multi-Chip-LED-Gehäuses und das direkte Bonden des Chips mit dem Substrat ist ein zukünftiger Entwicklungstrend.
Das Problem der Wärmeableitung ist das Haupthindernis bei der Entwicklung von LEDs zur Beleuchtung von Objekten. Die Verwendung von Keramik- oder Wärmerohren ist ein wirksames Mittel, um Überhitzung zu verhindern. Die Wärmemanagementlösung erhöht jedoch die Materialkosten. Der Zweck des Hochleistungs-LED-Wärmemanagement-Designs besteht darin, den R-Übergang von Fall zu Gehäuse effektiv zu reduzieren. Dies ist eine der materialbasierten Lösungen, die eine Wärmeableitung vom Chip bieten und einen niedrigen Wärmewiderstand sowie eine hohe Leitfähigkeit bieten und die direkte Wärmeübertragung ermöglichen vom Chip durch Die-Attach- oder Hot-Metal-Verfahren. Die Außenseite des Verpackungsgehäuses.
Natürlich sind die Wärmeableitungskomponenten von LEDs der Wärmeableitung von CPUs ähnlich. Sie sind hauptsächlich luftgekühlte Module, die aus Kühlkörpern, Wärmerohren, Lüftern und Wärmeleitmaterial bestehen. Natürlich ist die Wasserkühlung auch eine der thermischen Gegenmaßnahmen. Bei dem derzeit größten LED-TV-Hintergrundbeleuchtungsmodul mit LED-Hintergrundbeleuchtung haben die 40-Zoll- und 46-Zoll-LED-Hintergrundbeleuchtungen Eingangsleistungen von 470 W bzw. 550 W, von denen 80% in Wärme umgewandelt werden, und die erforderliche Wärmeableitung beträgt etwa 360 W und 440 W oder so.
Wie nehmen Sie diese Hitze weg? Derzeit gibt es in der Industrie Wasserkühlungsmethoden für die Kühlung, aber es bestehen Zweifel an einem hohen Stückpreis und Zuverlässigkeit. Es ist auch nützlich, Wärmerohre mit Kühlkörpern und Lüftern zur Kühlung zu verwenden.
Wärmeableitungsmethode
Im Allgemeinen kann der Kühlkörper in einen aktiven Kühlkörper und einen passiven Kühlkörper unterteilt werden, je nachdem, wie die Wärme vom Kühlkörper abgeführt wird. Die sogenannte passive Wärmeableitung bedeutet, dass die Wärme der LED-Lichtquelle der Wärmequelle durch die Wärmesenke auf natürliche Weise in die Luft abgestrahlt wird und der Wärmeableitungseffekt proportional zur Größe der Wärmesenke ist, jedoch aufgrund der natürlichen Wärme Durch die Dissipation wird der Effekt natürlich stark reduziert und häufig in diesen Räumen eingesetzt. In Geräten, die nicht benötigt werden oder zur Wärmeableitung von Bauteilen verwendet werden, die weniger Wärme erzeugen. Zum Beispiel verwenden einige gängige Motherboards auch passive Wärmeableitung an der Nordbrücke. Die meisten von ihnen übernehmen eine aktive Wärmeableitung. Die Wärmeableitung wird durch Kühlkörper wie Lüfter erzwungen. Die von der Wärmesenke abgegebene Wärme wird abgeführt, was sich durch eine hohe Wärmeableitung und geringe Baugröße auszeichnet.
Die aktive Wärmeableitung, unterteilt nach dem Wärmeableitungsverfahren, kann in Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung, Wärmerohrkühlung, Halbleiterkühlung, chemische Kühlung usw. unterteilt werden.
Luftgekühlte, luftgekühlte Wärme ist die häufigste Form der Wärmeableitung und im Vergleich dazu auch günstiger. Luftkühlung ist im Wesentlichen ein Lüfter, der die vom Kühlkörper aufgenommene Wärme abführt. Es hat die Vorteile eines relativ niedrigen Preises und einer bequemen Installation. Es ist jedoch stark von der Umgebung abhängig, wie z. B. steigende Temperaturen und Überhitzungsleistung.
Flüssigkeitskühlung
Die Flüssigkeitskühlungswärme wird gezwungen, die Wärme des Kühlers durch die Pumpe unter Antrieb der Pumpe abzuführen. Verglichen mit der Luftkühlung hat es die Vorteile der Geräuschlosigkeit, der stabilen Temperaturstabilität und der geringen Abhängigkeit von der Umgebung. Der Preis für die Flüssigkeitskühlung ist relativ hoch und die Installation ist relativ umständlich. Gleichzeitig so weit wie möglich gemäß den Anweisungen in der Anleitung installieren, um eine optimale Wärmeableitung zu erreichen. Aus Kostengründen und aus Gründen der Benutzerfreundlichkeit verwendet die Flüssigkeitskühlwärmeableitung normalerweise Wasser als Wärmeübertragungsflüssigkeit, so dass flüssigkeitsgekühlte Wärmesenken oft als wassergekühlte Wärmesenken bezeichnet werden.
Wärmeleitung
Das Wärmerohr gehört zu einem Wärmeübertragungselement, das das Prinzip der Wärmeleitung und die schnelle Wärmeübertragungseigenschaft des Kältemittelmediums voll ausnutzt und durch Verdampfung und Kondensation der Flüssigkeit in dem vollständig eingeschlossenen Vakuumrohr Wärme überträgt und extrem hoch ist Wärmeleitfähigkeit und gute isotherme Temperatur. Der Wärmeübertragungsbereich auf beiden Seiten der heißen und kalten Seite kann beliebig geändert werden, die Wärmeübertragung kann eine große Entfernung sein, die Temperatur kann gesteuert werden und dergleichen, und der aus dem Wärmerohr bestehende Wärmetauscher weist eine hohe Wärmeübertragungseffizienz auf Kompaktbauweise, geringe Flüssigkeitsbeständigkeit usw. Vorteil. Seine Wärmeleitfähigkeit hat die Wärmeleitfähigkeit aller bekannten Metalle bei weitem übertroffen.
Halbleiter-Kühlung
Die Halbleiterkühlung verwendet einen speziellen Halbleiter-Kühlchip, um eine Temperaturdifferenz zum Kühlen zu erzeugen, wenn sie mit Energie versorgt wird. Solange die Wärme am Hochtemperaturende effektiv abgeführt werden kann, wird das Niedrigtemperaturende kontinuierlich gekühlt. Ein Temperaturunterschied wird auf jedem der Halbleiterteilchen erzeugt, und ein Kühlblech wird gebildet, indem Dutzende solcher Teilchen in Reihe geschaltet werden, um einen Temperaturunterschied auf beiden Oberflächen des Kühlmittelblatts zu bilden. Durch Verwendung dieses Temperaturdifferenzphänomens kann die Luftkühlung / Wasserkühlung verwendet werden, um das Hochtemperaturende zu kühlen, und es kann ein hervorragender Wärmeableitungseffekt erzielt werden. Die Kühlung von Halbleitern hat die Vorteile einer niedrigen Kühltemperatur und einer hohen Zuverlässigkeit. Die kalte Oberflächentemperatur kann unter 10 ° C liegen, aber die Kosten sind zu hoch und es kann zu einem Kurzschluss aufgrund niedriger Temperatur kommen. Nun ist der Prozess der Halbleiter-Kühlfolie nicht ausgereift. praktisch
Chemische Kühlung
Bei der sogenannten chemischen Kühlung werden einige Chemikalien mit extrem niedriger Temperatur verwendet, die während des Schmelzens eine große Wärmemenge absorbieren, um die Temperatur zu senken. In dieser Hinsicht ist es üblicher, Trockeneis und flüssigen Stickstoff zu verwenden. Durch die Verwendung von Trockeneis kann die Temperatur beispielsweise auf unter minus 20 ° C gesenkt werden, und einige "pervertierte" Spieler verwenden natürlich flüssigen Stickstoff, um die CPU-Temperatur (theoretisch) aufgrund des hohen Preises unter minus 100 ° C zu senken und kurze Dauer, diese Methoden sind häufiger im Labor oder extreme Overclocking-Enthusiasten.
Materialauswahl
Wärmeübergangskoeffizient (Einheit: W / mK)
Silber 429
Kupfer 401
Gold 317
Aluminium 237
Eisen 80
Führung 34.8
1070 Aluminiumlegierung 226
1050 Aluminiumlegierung 209
6063 Aluminiumlegierung 201
6061 Aluminiumlegierung 155
Im Allgemeinen wählen gewöhnliche luftgekühlte Radiatoren auf natürliche Weise Metall als Material des Radiators. Für die ausgewählten Materialien ist es wünschenswert, sowohl eine hohe spezifische Wärme als auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit zu haben. Silber und Kupfer sind die besten thermischen Materialien, gefolgt von Gold und Aluminium. Gold und Silber sind jedoch zu teuer, so dass der derzeitige Kühlkörper hauptsächlich aus Aluminium und Kupfer besteht. Im Vergleich haben sowohl Kupfer als auch Aluminiumlegierungen ihre eigenen Vor- und Nachteile: Kupfer hat eine gute Wärmeleitfähigkeit, aber der Preis ist relativ teuer, die Verarbeitung ist schwierig, das Gewicht ist zu groß und die Wärmekapazität des Kupferkühlkörpers ist gering und es ist leicht zu oxidieren. . Auf der anderen Seite ist reines Aluminium zu weich, um direkt verwendet zu werden. Die verwendete Aluminiumlegierung kann für eine ausreichende Härte sorgen. Die Aluminiumlegierung hat den Vorteil, dass sie billig und leicht ist, aber die Wärmeleitfähigkeit ist viel schlechter als Kupfer. In der Geschichte der Entwicklung des Kühlers sind daher folgende Materialien aufgetaucht:
Kühler aus reinem Aluminium
Reine Aluminiumheizkörper sind die am häufigsten verwendeten Heizkörper. Der Herstellungsprozess ist einfach und die Kosten sind niedrig. Bislang nehmen reine Aluminiumheizkörper noch einen erheblichen Teil des Marktes ein. Um die Wärmeabstrahlungsfläche der Lamellen zu vergrößern, ist die am weitesten verbreitete Verarbeitungsmethode für reine Aluminiumheizkörper die Aluminiumextrusionstechnologie, und der Hauptindikator für die Bewertung eines reinen Aluminiumstrahlers ist die Dicke des Kühlersockels und das Pin-Fin-Verhältnis. Pin bezieht sich auf die Höhe der Rippen der Wärmesenke und Fin bezieht sich auf den Abstand zwischen zwei benachbarten Rippen. Pin-Fin-Verhältnis ist die Höhe von Pin (ohne Basisdicke) geteilt durch Fin. Je größer das Pin-Fin-Verhältnis ist, desto größer ist die effektive Wärmeabfuhrfläche des Kühlkörpers. Dies bedeutet, dass die Aluminium-Extrusionstechnologie weiter fortgeschritten ist.
Kühler aus reinem Kupfer
Kupfer hat einen Wärmeübertragungskoeffizienten, der dem 1,69-fachen desjenigen von Aluminium entspricht, so dass reine Kupferkühlkörper die Wärmequelle schneller abführen können, wobei alle anderen Faktoren gleich sind. Die Textur von Kupfer ist jedoch ein Problem. Viele der "reinen Kupferstrahler" bestehen nicht wirklich zu 100% aus Kupfer. In der Kupferliste wird Kupfer mit einem Gehalt von mehr als 99% als säurefreies Kupfer bezeichnet, und der nächste Kupfergehalt ist Kupfer mit weniger als 85% Kupfer. Der Kupfergehalt der meisten reinen Kupferkühlkörper auf dem heutigen Markt liegt irgendwo dazwischen. Einige minderwertige reine Kupferstrahler enthalten nicht einmal 85% Kupfer. Obwohl die Kosten sehr niedrig sind, wird ihre Wärmeübertragungskapazität stark reduziert, was sich auf die Wärmeableitung auswirkt. Darüber hinaus hat Kupfer auch offensichtliche Nachteile, hohe Kosten, eine schwierige Verarbeitung und zu große Wärmesenken behindern die Anwendung von Ganz-Kupfer-Wärmesenken. Die Härte von rotem Kupfer ist nicht so gut wie die von Aluminiumlegierung AL6063. Einige mechanische Bearbeitungen (wie Nuten usw.) sind nicht so gut wie Aluminium. Kupfer hat einen viel höheren Schmelzpunkt als Aluminium, was die Extrusion und andere Probleme nicht begünstigt.
Kupfer-Aluminium-Verbindungstechnologie
Einige Hochleistungskühlkörper auf dem Markt verwenden häufig die Kombination von Kupfer und Aluminium, nachdem sie die Nachteile der beiden Materialien Kupfer und Aluminium in Betracht gezogen haben. Diese Kühlkörper verwenden normalerweise eine Kupfermetallbasis, während die Kühlrippen aus Aluminiumlegierung bestehen. Neben der Kupferbasis gibt es auch Methoden wie die Verwendung eines Kupferpfostens für den Kühlkörper, was dasselbe Prinzip ist. Bei einer hohen Wärmeleitfähigkeit kann der Kupferboden die von der CPU abgegebene Wärme schnell aufnehmen. Die Aluminiumlamellen können durch komplizierte Prozesse in eine Form gebracht werden, die für die Wärmeableitung am günstigsten ist, und bieten einen großen Wärmespeicherraum und eine schnelle Freigabe. Ein in allen Aspekten gefundenes Gleichgewicht.
Um die LED-Lichtausbeute und Lebensdauer zu verbessern, ist das Lösen des Wärmeableitungsproblems von LED-Produkten zu diesem Zeitpunkt eines der wichtigsten Probleme. Die Entwicklung der LED-Industrie konzentriert sich auch auf die Entwicklung von Hochleistungs-LEDs mit hoher Helligkeit und kleinen Abmessungen. Das wärmeableitende Substrat mit hoher Wärmeableitung und präziser Größe ist auch ein Trend in der zukünftigen Entwicklung von LED-wärmeableitenden Substraten. Gegenwärtig wird das Aluminiumoxidsubstrat durch ein Aluminiumnitridsubstrat ersetzt, oder das Die / Substrat-Bondingverfahren zum Ersetzen des Golddrahts durch einen Eutektikum- oder Flip-Chip-Prozess wird verwendet, um die Leuchteffizienz der LED zu verbessern. Bei diesem Entwicklungstrend ist die Genauigkeit der Ausrichtung des wärmeableitenden Substrats selbst extrem streng, und es ist erforderlich, eine hohe Wärmeableitung, eine geringe Größe und eine gute Haftung von Metallleitungen zu haben. Daher wird ein wärmeableitendes Dünnschichtkeramiksubstrat unter Verwendung eines Mikroschattens mit gelbem Licht hergestellt. Es wird zu einem der wichtigsten Katalysatoren für die kontinuierliche Hochleistung von LEDs.