Strutture avanzate Produzione efficienteI LED single-chip iniziali non erano molto potenti, avevano una produzione di calore limitata e avevano pochi problemi termici, quindi il pacchetto era relativamente semplice. Tuttavia, con la continua innovazione della tecnologia dei materiali LED negli ultimi anni, è cambiata anche la tecnologia di packaging dei LED. Dal primo pacchetto di tipo a pistone single-chip, si è gradualmente sviluppato in un modulo multi-chip piatto e di grandi dimensioni; la sua corrente operativa è dai primi 20mA. I LED a bassa potenza a sinistra ea destra sono passati agli attuali LED ad alta potenza da circa 1/3 a 1 A. La potenza in ingresso di un singolo LED è pari a 1 W o superiore, e anche le modalità di pacchetto 3W e 5W sono più evolute.
Poiché il problema del calore causato dal sistema LED ad alta luminosità e ad alta potenza sarà la chiave per influenzare la funzione del prodotto, per scaricare rapidamente il calore generato dal componente LED nell'ambiente circostante, è necessario iniziare con il gestione termica del livello del pacchetto (L1 e L2). Allo stato attuale, la pratica del settore è di ridurre l'impedenza termica del modulo di imballaggio attraverso lo spargitore di calore, saldando il chip LED con saldatura o pasta termica su un diffusore di calore.
Molte applicazioni terminali, come mini proiettori, automobilistico e fonti di illuminazione, richiedono più di mille lumen o decine di migliaia di lumen per una determinata area. I moduli del pacchetto a chip singolo sono chiaramente inadeguati. Passare al pacchetto LED multi-chip e collegare direttamente il chip al substrato è un trend di sviluppo futuro.
Il problema della dissipazione del calore è l'ostacolo principale nello sviluppo di LED per oggetti luminosi. L'uso di tubi di ceramica o di calore è un modo efficace per prevenire il surriscaldamento. Tuttavia, la soluzione di gestione del calore aumenta il costo dei materiali. Lo scopo del design di gestione del calore LED ad alta potenza è quello di ridurre efficacemente la giunzione R a caso è una delle soluzioni basate sui materiali che forniscono dissipazione del calore dal chip, fornendo bassa resistenza termica ma alta conduttività, consentendo il trasferimento diretto del calore dal chip attraverso i metodi die attach o hot metal. L'esterno dell'alloggiamento del pacchetto.
Naturalmente, i componenti di dissipazione del calore dei LED sono simili alla dissipazione del calore delle CPU. Si tratta principalmente di moduli raffreddati ad aria composti da dissipatori di calore, tubi di calore, ventole e materiali di interfaccia termica. Naturalmente, il raffreddamento ad acqua è anche una delle contromisure termiche. Nell'attuale modulo di retroilluminazione TV LED di grandi dimensioni, le retroilluminazioni a LED da 40 e 46 pollici hanno rispettivamente una potenza in ingresso di 470 W e 550 W, l'80% delle quali viene convertito in calore e la dissipazione di calore richiesta è di circa 360 W e 440 W o così.
Quindi, come fai a togliere questo caldo? Al momento esistono metodi di raffreddamento ad acqua per il raffreddamento nel settore, ma ci sono dubbi sull'elevato prezzo unitario e sull'affidabilità. È anche utile utilizzare tubi di calore con dissipatori di calore e ventole per il raffreddamento.
Metodo di dissipazione del calore
In generale, il dissipatore di calore può essere suddiviso in dissipatore di calore attivo e dissipatore di calore passivo in base al modo in cui il calore viene rimosso dal dissipatore di calore. La cosiddetta dissipazione passiva del calore significa che il calore della sorgente luminosa a LED della sorgente di calore viene naturalmente irradiato nell'aria attraverso il dissipatore di calore e l'effetto di dissipazione del calore è proporzionale alla dimensione del dissipatore di calore, ma a causa del calore naturale dissipazione, l'effetto è ovviamente notevolmente ridotto, ed è spesso usato in quegli spazi spaziali. In apparecchiature che non sono richieste o utilizzate per dissipare calore per componenti che generano meno calore. Ad esempio, alcune schede madri popolari adottano anche la dissipazione del calore passiva sul ponte nord. La maggior parte di essi adotta una dissipazione del calore attiva. La dissipazione del calore attiva è forzata da dissipatori di calore come i ventilatori. Il calore emesso dal dissipatore di calore viene portato via, che è caratterizzato da un'elevata efficienza di dissipazione del calore e dimensioni ridotte del dispositivo.
La dissipazione del calore attiva, suddivisa dal metodo di dissipazione del calore, può essere suddivisa in raffreddamento ad aria, raffreddamento a liquido, raffreddamento di tubi di calore, refrigerazione a semiconduttori, refrigerazione chimica e così via.
Il calore raffreddato ad aria raffreddato ad aria è la forma più comune di dissipazione del calore e, in confronto, è anche un modo più economico. Il raffreddamento ad aria è essenzialmente una ventola che toglie il calore assorbito dal dissipatore di calore. Presenta i vantaggi di un prezzo relativamente basso e di un'installazione conveniente. Tuttavia, dipende fortemente dall'ambiente, come l'aumento delle temperature e le prestazioni di surriscaldamento.
Raffreddamento a liquido
Il calore di raffreddamento a liquido è costretto a far circolare via il calore del radiatore dalla pompa sotto la guida della pompa. Rispetto al raffreddamento ad aria, presenta i vantaggi di silenziosità, stabilità stabile della temperatura e bassa dipendenza dall'ambiente. Il prezzo del raffreddamento a liquido è relativamente alto e l'installazione è relativamente macchinosa. Allo stesso tempo, installarlo il più possibile secondo le istruzioni nelle istruzioni per ottenere la migliore dissipazione del calore. Per motivi di costi e facilità d'uso, la dissipazione del calore di raffreddamento a liquido di solito utilizza l'acqua come un liquido di trasferimento del calore, quindi i dissipatori di calore a liquido raffreddato sono spesso indicati come dissipatori di calore raffreddati ad acqua.
Conduttura di riscaldamento
Il tubo di calore appartiene a un elemento di trasferimento del calore, che utilizza pienamente il principio di conduzione del calore e la rapida proprietà di trasferimento del calore del mezzo refrigerante e trasferisce il calore per evaporazione e condensazione del liquido nella camera d'aria completamente chiusa ed è estremamente alto conducibilità termica e buona temperatura isotermica. L'area di trasferimento del calore su entrambi i lati dei lati caldo e freddo può essere modificata arbitrariamente, il trasferimento di calore può essere a lunga distanza, la temperatura può essere controllata, e simili, e lo scambiatore di calore composto ha una elevata efficienza di trasferimento del calore , struttura compatta, piccola resistenza ai fluidi, ecc. La sua conduttività termica ha superato di gran lunga la conduttività termica di qualsiasi metallo noto.
Refrigerazione a semiconduttore
La refrigerazione a semiconduttore utilizza uno speciale chip di refrigerazione a semiconduttore per generare una differenza di temperatura per il raffreddamento quando energizzato. Finché il calore alla fine della temperatura elevata può essere dissipato in modo efficace, la parte bassa della temperatura viene continuamente raffreddata. Una differenza di temperatura viene generata su ciascuna delle particelle di semiconduttore e un foglio di raffreddamento viene formato collegando dozzine di tali particelle in serie per formare una differenza di temperatura su entrambe le superfici del foglio di refrigerante. Utilizzando questo fenomeno di differenza di temperatura, il raffreddamento ad aria / raffreddamento ad acqua può essere utilizzato per raffreddare l'estremità ad alta temperatura e si può ottenere un eccellente effetto di dissipazione del calore. La refrigerazione a semiconduttore presenta i vantaggi della bassa temperatura di refrigerazione e dell'alta affidabilità. La temperatura della superficie fredda può raggiungere valori inferiori a 10 ° C, ma il costo è troppo elevato e potrebbe causare cortocircuiti a causa della bassa temperatura. Ora il processo della pellicola di refrigerazione dei semiconduttori non è abbastanza maturo. pratico.
Refrigerazione chimica
La cosiddetta refrigerazione chimica è l'uso di alcuni prodotti chimici a bassissima temperatura, che li usano per assorbire una grande quantità di calore durante la fusione per abbassare la temperatura. È più comune usare ghiaccio secco e azoto liquido a questo proposito. Ad esempio, l'utilizzo di ghiaccio secco può abbassare la temperatura al di sotto di meno 20 ° C, e alcuni altri giocatori "pervertiti" utilizzano azoto liquido per abbassare la temperatura della CPU inferiore a meno 100 ° C (in teoria), naturalmente, a causa del prezzo elevato e breve durata, questi metodi sono più comuni in laboratorio o gli appassionati di overclocking estremo.
Selezione del materiale
Coefficiente di trasmissione del calore (unità: W / mK)
Argento 429
Rame 401
Oro 317
Alluminio 237
Ferro 80
Piombo 34.8
Lega di alluminio 1070 226
Lega di alluminio 1050 209
Lega di alluminio tipo 6063 201
Lega di alluminio tipo 6061 155
In generale, i radiatori ordinari raffreddati ad aria scelgono naturalmente il metallo come materiale del radiatore. Per i materiali selezionati, è desiderabile avere sia calore specifico alto che conducibilità termica elevata. Da quanto sopra, argento e rame sono i migliori materiali termici, seguiti da oro e alluminio. Tuttavia, l'oro e l'argento sono troppo costosi, quindi l'attuale dissipatore di calore è costituito principalmente da alluminio e rame. In confronto, sia il rame che la lega di alluminio hanno i loro vantaggi e svantaggi: il rame ha una buona conduttività termica, ma il prezzo è relativamente costoso, la lavorazione è difficile, il peso è troppo grande e la capacità termica del dissipatore di rame è piccola ed è facile da ossidare. . D'altra parte, l'alluminio puro è troppo morbido per essere utilizzato direttamente. La lega di alluminio utilizzata può fornire una durezza sufficiente. Il vantaggio della lega di alluminio è che è economico e leggero, ma la conduttività termica è molto peggiore del rame. Pertanto, nella storia dello sviluppo del radiatore, sono comparsi i seguenti materiali:
Radiatore in alluminio puro
I radiatori in alluminio puro sono i radiatori più comuni nei primi giorni. Il processo di produzione è semplice e il costo è basso. Finora i radiatori in alluminio puro occupano ancora una parte considerevole del mercato. Al fine di aumentare l'area di dissipazione del calore delle alette, il metodo di lavorazione più comune per i radiatori in alluminio puro è la tecnologia di estrusione di alluminio e l'indicatore principale per valutare un radiatore in alluminio puro è lo spessore della base del radiatore e il rapporto Pin-Fin. Il perno si riferisce all'altezza delle alette del dissipatore di calore e Fin si riferisce alla distanza tra due alette adiacenti. Il rapporto Pin-Fin è l'altezza del Pin (escluso lo spessore della base) diviso per il Fin. Più grande è il rapporto Pin-Fin, maggiore è l'area effettiva di dissipazione del calore del dissipatore di calore, il che significa che la tecnologia di estrusione dell'alluminio è più avanzata.
Radiatore in rame puro
Il rame ha un coefficiente di trasmissione del calore di 1,69 volte quello dell'alluminio, quindi i dissipatori di calore in rame puro possono rimuovere il calore dalla fonte di calore più rapidamente, a parità di tutte le altre condizioni. Tuttavia, la trama del rame è un problema. Molti dei "radiatori in rame puro" non sono in realtà al 100% di rame. Nella lista di rame, il rame contenente più del 99% è chiamato rame privo di acido, e il grado successivo di rame è il rame contenente meno dell'85% di rame. Il contenuto di rame dei dissipatori di calore in rame più puri oggi sul mercato è una via di mezzo. Alcuni radiatori inferiori in rame puro non contengono nemmeno l'85% di rame. Sebbene il costo sia molto basso, la loro capacità di trasferimento di calore è notevolmente ridotta, il che influenza la dissipazione del calore. Inoltre, il rame presenta evidenti difetti, costi elevati, elaborazione difficile e dissipatori di calore troppo grandi che ostacolano l'applicazione di dissipatori di calore interamente in rame. La durezza del rame rosso non è buona come quella della lega di alluminio AL6063. Alcune lavorazioni meccaniche (come la scanalatura, ecc.) Non sono buone come l'alluminio; il rame ha un punto di fusione molto più alto dell'alluminio, il che non favorisce l'estrusione e altri problemi.
Tecnologia di incollaggio rame-alluminio
Dopo aver considerato le carenze dei due materiali, rame e alluminio, alcuni dissipatori di calore di fascia alta sul mercato spesso utilizzano una combinazione di rame e alluminio. Questi dissipatori di calore usano solitamente una base di metallo di rame, mentre le alette del dissipatore di calore usano la lega di alluminio. Oltre alla base di rame, ci sono anche metodi come l'uso di un palo di rame per il dissipatore di calore, che è lo stesso principio. Con un'alta conducibilità termica, il fondo in rame può assorbire rapidamente il calore rilasciato dalla CPU; le alette in alluminio possono essere trasformate in una forma che è più favorevole alla dissipazione del calore mediante processi complicati, e forniscono un ampio spazio di accumulo di calore e un rapido rilascio. Un punto di equilibrio trovato in tutti gli aspetti.
Per migliorare l'efficienza luminosa e la durata del LED, risolvere il problema della dissipazione del calore dei prodotti a LED è uno dei problemi più importanti in questa fase. Lo sviluppo del settore LED è inoltre focalizzato sullo sviluppo di prodotti LED ad alta potenza, alta luminosità e dimensioni ridotte. Il substrato dissipatore di calore con elevata dissipazione del calore e dimensioni precise è diventato anche una tendenza nel futuro sviluppo dei substrati di dissipazione del calore dei LED. Allo stato attuale, il substrato di ossido di alluminio è sostituito da un substrato di nitruro di alluminio, o il metodo di legame matrice / substrato di sostituzione del filo d'oro mediante un processo di chip eutettico o flip viene utilizzato per migliorare l'efficienza luminosa del LED. In base a questa tendenza di sviluppo, la precisione dell'allineamento del substrato di dissipazione del calore stesso è estremamente severa e si richiede un'elevata dissipazione del calore, dimensioni ridotte e buona adesione delle linee metalliche. Pertanto, un substrato di dispersione del calore in ceramica a film sottile viene prodotto utilizzando una micro-ombra a luce gialla. Diventerà uno dei catalizzatori importanti per promuovere l'alta potenza continua del LED.