تحليل أداء تبديد الحرارة لمصابيح LED المعتمدة على تقنية COB
مع الابتكار المستمر لتكنولوجيا التعبئة والتغليف LED وتنفيذ سياسات الحفاظ على الطاقة وخفض الانبعاثات في الداخل والخارج، تتزايد نسبة تطبيقات مصدر ضوء LED في مجال الإضاءة، ويتم تقديم أشكال التعبئة والتغليف الجديدة باستمرار. لا يزال أداء LED من حيث تبديد الحرارة، وكفاءة الإضاءة، والموثوقية، وفعالية التكلفة محط اهتمام. إذا لم يكن هناك تقدم في هذا، أو إذا كانت المنتجات الجديدة غير LED يمكن أن تحقق اختراقات في المستقبل، فإن LED قد لا يكون الاختيار في مجال الإضاءة.
COB (Chip on Board) هو منتج تعبئة LED أطلقته الصناعة في ظل هذه الخلفية. بالمقارنة مع منتجات التعبئة والتغليف LED المنفصلة التقليدية، فهو يتمتع بقدرة أفضل على تبديد الحرارة الأولية وإخراج تدفق ضوئي عالي الكثافة. عند تصميم هيكل التغليف LED، يجب تقليل درجة حرارة وصلة الرقاقة قدر الإمكان. تتمتع الرقائق المعبأة بـ COB بأقصر مسار لتبديد الحرارة ويمكنها نقل حرارة شريحة العمل بسرعة إلى الركيزة المعدنية ثم إلى المشتت الحراري، لذلك تتمتع COB بقدرات أفضل لتبديد الحرارة من تجميع المكونات المنفصلة التقليدية.
تشمل خيارات المواد الحالية للركائز المعدنية COB النحاس والألمنيوم وأكسيد الألومنيوم ونيتريد الألومنيوم وما إلى ذلك. ومن حيث التكلفة الشاملة وقدرة تبديد الحرارة والحماية من التآكل وما إلى ذلك، يتم اختيار الألومنيوم بشكل أساسي كركيزة معدنية للإنتاج. مع الابتكار المستمر لتكنولوجيا التعبئة والتغليف LED وتنفيذ سياسات الحفاظ على الطاقة وخفض الانبعاثات في الداخل والخارج، تتزايد نسبة تطبيقات مصدر ضوء LED في مجال الإضاءة، ويتم تقديم أشكال التعبئة والتغليف الجديدة باستمرار.
لا يزال أداء LED من حيث تبديد الحرارة، وكفاءة الإضاءة، والموثوقية، وفعالية التكلفة محط اهتمام. إذا لم يكن هناك تقدم في هذا، أو إذا كانت المنتجات الجديدة غير LED يمكن أن تحقق اختراقات في المستقبل، فإن LED قد لا يكون الاختيار في مجال الإضاءة.
COB (Chip on Board) هو منتج تعبئة LED أطلقته الصناعة في ظل هذه الخلفية. بالمقارنة مع منتجات التعبئة والتغليف LED المنفصلة التقليدية، فهو يتمتع بقدرة أفضل على تبديد الحرارة الأولية وإخراج تدفق ضوئي عالي الكثافة. عند تصميم هيكل التغليف LED، يجب تقليل درجة حرارة وصلة الرقاقة قدر الإمكان. تتمتع الرقائق المعبأة بـ COB بأقصر مسار لتبديد الحرارة ويمكنها نقل حرارة شريحة العمل بسرعة إلى الركيزة المعدنية ثم إلى المشتت الحراري، لذلك تتمتع COB بقدرات أفضل لتبديد الحرارة من تجميع المكونات المنفصلة التقليدية. تشمل خيارات المواد الحالية للركائز المعدنية COB النحاس والألمنيوم وأكسيد الألومنيوم ونيتريد الألومنيوم وما إلى ذلك. ومن حيث التكلفة الشاملة وقدرة تبديد الحرارة والحماية من التآكل وما إلى ذلك، يتم اختيار الألومنيوم بشكل أساسي كركيزة معدنية للإنتاج.
تحليل أداء تبديد الحرارة لمصابيح LED المعتمدة على تقنية COB من 3 زوايا
عادة ما يتم التعبير عن فقدان الطاقة لأجهزة LED أثناء التشغيل على شكل تبديد للحرارة، أي جزء لديه مقاومة يصبح مصدر حرارة داخلي، مما يتسبب في ارتفاع كثافة الحرارة بشكل حاد، وبالتالي ترتفع درجة حرارة الجهاز نفسه أيضًا، وتتأثر البيئة المحيطة به. كما ترتفع درجة الحرارة، مما يؤثر على درجة الحرارة الداخلية، مما يؤثر على موثوقية وأداء وعمر مصباح LED. تظهر الأبحاث أنه مع ارتفاع درجة الحرارة، يميل معدل فشل الشريحة إلى الزيادة، لذلك، فإن التصميم الحراري الموثوق به وتدابير التحكم الحراري الفعالة لتغليف LED هي المفاتيح لتحسين موثوقيتها.
في صناعة الإلكترونيات، عندما تزيد درجة الحرارة المحيطة بجهاز ما بمقدار 10 درجات مئوية، فإن معدل فشله غالبًا ما يزيد بمعدل أسي، وهذا ما يسمى "قاعدة 10 درجات مئوية". تعتمد معظم الطرق المستخدمة حاليًا على مادة لوحة الدائرة الكهربائية، ويتم اختيار بعض المواد ذات الموصلية الحرارية العالية والثبات، مثل النحاس والألومنيوم والسيراميك وغيرها. ولكن لا يكفي مجرد تحسين مشكلة تبديد الحرارة من خلال لوحة الدائرة الكهربائية، بل يجب استخدام طرق تصميم حراري أخرى لتحسين أداء تبديد الحرارة لمصابيح LED.
تكنولوجيا التبريد
إن أي جهاز أو دائرة إلكترونية يصاحبها حتماً توليد الحرارة، ولتحسين موثوقيتها وأدائها، يجب تقليل الحرارة إلى الحد الأدنى، وأصبح استخدام تكنولوجيا تبديد الحرارة المناسبة هو المفتاح.
يسمى انتقال الطاقة بين المادة نفسها أو عندما تتلامس المادة مع المادة بالتوصيل الحراري، وهذا هو الشكل الأكثر شيوعًا لنقل الحرارة، حيث تكون الجزيئات ذات الطاقة المنخفضة والجزيئات ذات الطاقة الأعلى على اتصال مباشر وتتصادمان لنقل الطاقة . نسبياً، تقتصر طرق التوصيل الحراري على المواد الصلبة والسوائل، لأن التركيب الجزيئي للغازات ليس متقارباً جداً، ويسمى نقل الطاقة فيما بينها بالانتشار الحراري.
الصيغة الأساسية للتوصيل الحراري هي:
Q=K&TImes;A&TImes;ΔT/ΔL (1)
من بينها، Q يمثل الحرارة، وهي الحرارة المتولدة أو الموصلة عن طريق التوصيل الحراري، K هو معامل التوصيل الحراري للمادة، ومعامل التوصيل الحراري يشبه الحرارة النوعية، ولكن هناك بعض الاختلافات عن الحرارة النوعية. يتناسب معامل التوصيل الحراري عكسيا مع الحرارة النوعية، فكلما زاد معامل التوصيل الحراري انخفضت قيمة حرارته النوعية. على سبيل المثال، معامل التوصيل الحراري للنحاس النقي هو 396.4، والحرارة النوعية له هي 0.39؛ في الصيغة، تمثل A منطقة نقل الحرارة (أو منطقة التلامس بين جسمين)، وتمثل ΔT فرق درجة الحرارة بين الاثنين. النهايات؛ ΔL هي المسافة بين الطرفين. ولذلك يمكننا أن نجد من الصيغة أن حجم انتقال الحرارة يتناسب طرديا مع معامل التوصيل الحراري ومساحة انتقال الحرارة، ويتناسب عكسيا مع المسافة. كلما زاد معامل نقل الحرارة، زادت مساحة نقل الحرارة، وكلما قصرت مسافة النقل، زادت طاقة التوصيل الحراري وأصبح من الأسهل إزالة الحرارة.
أداء تبديد الحرارة LED والتعبئة والتغليف
كجيل جديد من مصادر الضوء، يتم استخدام LED تدريجيًا في الإضاءة العامة، متطلباته البصرية الأساسية هي التدفق الضوئي، حاليًا، هناك طريقتان لتحسين التدفق الضوئي LED، وهما زيادة سطوع الشريحة وترتيب شرائح متعددة بكثافة، هذه الطرق تتطلب مدخلات. طاقة طاقة أعلى، ولكن جزء صغير فقط من الطاقة المدخلة إلى LED سيتم تحويله إلى مصدر ضوء، وسيتم تحويل معظمها إلى طاقة حرارية. عندما يتم إرسال التيار المضاعف إلى حزمة واحدة، فإن الحرارة سوف يتضاعف التوليد بشكل طبيعي، لذلك في مثل هذا التبديد الصغير للحرارة مع انخفاض المساحة، ستتفاقم مشكلة تبديد الحرارة تدريجيًا.
مثل مصادر الإضاءة التقليدية، تولد مصابيح LED أيضًا الحرارة أثناء التشغيل، وتعتمد كمية الحرارة على كفاءة الإضاءة الإجمالية. تحت تأثير الطاقة الكهربائية الخارجية، ينتج عن إعادة التركيب الإشعاعي للإلكترونات والثقوب تألق كهربائي.يحتاج الضوء المشع بالقرب من تقاطع PN إلى المرور عبر وسط أشباه الموصلات ووسط التعبئة لشريحة LED نفسها قبل أن يتمكن من الوصول إلى العالم الخارجي. مع الأخذ في الاعتبار كفاءة الحقن الحالية، والكفاءة الكمية للتألق الإشعاعي، وكفاءة استخراج الضوء الخارجي للرقاقة، وما إلى ذلك، يتم تحويل حوالي 30% إلى 40% فقط من الطاقة الكهربائية المدخلة في النهاية إلى طاقة ضوئية، والباقي 60% إلى 70% من الطاقة بشكل رئيسي على شكل اهتزاز شبكي ناتج عن إعادة التركيب غير الإشعاعي، ليتحول إلى طاقة حرارية. ستؤدي الزيادة في درجة حرارة رقاقة LED إلى تعزيز إعادة التركيب غير الإشعاعي، مما يزيد من إضعاف كفاءة الإضاءة وتقصير العمر الافتراضي. يجب أن تكون تقنية تبديد الحرارة المستخدمة في مصابيح LED قادرة على تقليل المقاومة الحرارية بشكل فعال من تقاطع PN للصمام الثنائي الباعث للضوء إلى البيئة، بحيث يمكن تقليل درجة حرارة وصلة PN الخاصة بـ LED قدر الإمكان لتمديد فترة التشغيل. عمر ضوء LED.
هذه هي العلاقة بين توهين الضوء ودرجة حرارة الوصلة لمصابيح Lumidleds1W LED في ظل حالة تيار التشغيل المستمر، ويمكن ملاحظة أنه كلما ارتفعت درجة حرارة الوصلة، كلما كان التدفق الضوئي أسرع في التوهين وقصر العمر الافتراضي.
تبديد الحرارة LED
تشير معلمات الأداء الحراري لمصابيح LED بشكل أساسي إلى درجة حرارة الوصلة والمقاومة الحرارية. تشير درجة حرارة تقاطع LED إلى درجة حرارة تقاطع PN، وتشير المقاومة الحرارية لـ LED عمومًا إلى المقاومة الحرارية بين تقاطع PN وسطح الغلاف. درجة حرارة الوصلة هي معلمة تؤثر بشكل مباشر على أداء عمل LED، والمقاومة الحرارية هي معلمة تشير إلى أداء تبديد الحرارة لـ LED. كلما كانت المقاومة الحرارية أصغر، كان من الأسهل نقل حرارة LED خارج تقاطع PN. كلما انخفضت درجة حرارة الوصلة في LED، زادت كفاءة الإضاءة المستمرة وطول عمر LED.
عندما تزيد درجة حرارة الوصلة PN لـ LED، ينخفض انخفاض جهد التوصيل الأمامي لـ LED، مما يعني أنه بمجرد أن يتعرض LED الموجود في الحلقة لارتفاع مفرط في درجة الحرارة، فإن استجابة تقاطع PN لهذا ستزيد من درجة حرارة LED. مؤشر LED إذا تجاوزت درجة حرارة الشريحة قيمة معينة، فسوف يتضرر جهاز LED بأكمله، وقيمة درجة الحرارة هذه هي درجة الحرارة الحرجة. تختلف درجة الحرارة الحرجة لمصابيح LED مع مواد التعبئة والتغليف المختلفة، وحتى لو كانت نفس المادة، فإن عملية التغليف وعوامل أخرى ستؤثر على درجة الحرارة الحرجة. تختلف عن مصادر الضوء التقليدية، لوحة الدائرة المطبوعة ليست فقط حامل إمداد الطاقة لـ LED، ولكن أيضًا حامل تبديد الحرارة. ولذلك، فإن تصميم تبديد الحرارة للوحة الدوائر المطبوعة (بما في ذلك إعدادات اللوحة، والأسلاك والطلاء، وما إلى ذلك) مهم بشكل خاص لأداء تبديد الحرارة لمصابيح LED.
تأثير عملية التغليف على أداء تبديد الحرارة
في الوقت الحالي، تعد عبوات رقائق LED الموجودة في السوق عبارة عن عبوات أحادية الشريحة بشكل أساسي، إذا تم استخدام حزمة واحدة فقط في 1 إلى 4 مصابيح استجماتيزم LED، فإن وقت إضاءة مصابيح الاستجماتيزم سيكون قصيرًا، وبالتالي لن تحدث ظاهرة تراكم الحرارة كن واضحا. إذا تم تطبيقها على مصابيح الفلورسنت، فيجب ترتيبها بشكل وثيق وإضاءتها لفترة طويلة، لذلك يصعب إزالة الحرارة في الوقت المناسب ضمن مساحة محدودة لتبديد الحرارة.
إن ما يميز رقائق LED هو أنها تولد حرارة عالية للغاية في حجم صغير جدًا. إن السعة الحرارية لمصباح LED نفسه صغيرة جدًا، لذلك يجب أن يتم إخراج الحرارة في أسرع وقت ممكن، وإلا سيتم توليد درجة حرارة عالية للوصلة.
على الرغم من أن هيكل شريحة LED والمواد الخام هي أحد العوامل التي تؤثر على المقاومة الحرارية لـ LED، إلا أن تقليل المقاومة الحرارية لـ LED نفسه يعد شرطًا أساسيًا، ولكن بعد كل شيء، له تأثير محدود على تحسين قدرة تبديد الحرارة. لذلك، من خلال اختيار تقنية عملية التعبئة والتغليف LED المناسبة، يصبح تحسين المقاومة الحرارية لـ LED الطرق الرئيسية للتصميم الحراري فكرة جيدة. يسرد الجدول 1 المقاومة الحرارية للعديد من مصابيح LED مع عمليات التعبئة والتغليف المختلفة الموجودة عادة في السوق.
يمكن ملاحظة أن مصابيح LED المعبأة باستخدام تقنية COB تتمتع بأصغر مقاومة حرارية مقارنة بعمليات التغليف الأخرى.
تأثير المواد على أداء تبديد الحرارة
بعد تحديد عملية التغليف، يمكن تقليل المقاومة الحرارية لجهاز LED بشكل أكبر ويمكن تحسين أداء تبديد الحرارة لـ LED عن طريق اختيار مواد مختلفة. في الوقت الحاضر، غالبًا ما يتم اختيار المواد الأساسية ومواد الربط ومواد التغليف في الداخل والخارج.
المواد الأساسية ذات التوصيلات الحرارية المختلفة، مثل النحاس والألمنيوم، لها تأثير كبير على المقاومة الحرارية لمصابيح LED، لذلك فإن اختيار الركيزة المناسبة يعد أيضًا أحد الطرق لتقليل المقاومة الحرارية لمكونات LED. ويبين الجدول 2 مقارنة أداء الركائز المصنوعة من مواد مختلفة، وبشكل عام فإن ركائز الألومنيوم هي الأفضل وتتمتع بمزايا التوصيل الحراري العالي، ومقاومة التآكل، والتكلفة المنخفضة.
تحليل أداء تبديد الحرارة لمصابيح LED المعبأة في COB
تحليل المقاومة الحرارية
تستخدم هذه المقالة تقنية COB لتعبئة شرائح LED متعددة منخفضة الطاقة. يتم تعبئة رقائق LED مباشرة على ركيزة من الألومنيوم، مما يؤدي إلى توسيع منطقة تبديد الحرارة وإزالة الوصلات غير الضرورية لتقليل قنوات الحرارة وتخطي الدعامة في مصابيح LED المعبأة من نوع SMD. الارتباط، وتحليل المقاومة الحرارية المكافئة.
تعمل مصابيح LED المعتمدة على تقنية COB على تقليل المقاومة الحرارية الهيكلية والمقاومة الحرارية للتلامس بشكل كبير. نظرًا لمسار تبديد الحرارة الأقصر، يمكن نقل الطاقة الحرارية الناتجة عن شريحة LED أثناء التشغيل بشكل فعال إلى العالم الخارجي. وبسبب هذه الخصائص، يمكن تغليف COB الحفاظ على أداء أفضل من عبوات SMD التقليدية.تمكن درجة حرارة توصيل شريحة LED المنخفضة أجهزة LED من الحصول على أداء جيد في تبديد الحرارة.
نتائج تجريبية
تمت مقارنة وتحليل أجهزة LED المعبأة بناءً على تقنية COB ومصابيح LED المعبأة SMD باستخدام كاميرا التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء. أي جسم له درجة حرارة سوف ينبعث منه أشعة تحت الحمراء، وتستقبل كاميرا التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الجسم، وتعرض توزيع درجة الحرارة من خلال الصور الملونة، وتجد نقاط درجة الحرارة غير الطبيعية بناءً على الاختلافات الطفيفة في لون الصور، وبالتالي تشغيل دور في الكشف والصيانة.تأثير.
في التجربة، تم وضع ركائز الألمنيوم الخاصة بمصابيح LED المعبأة على المدفأة وتم تسخينها بنفس الحرارة، وكانت قوة كل شريحة LED 0.06 واط، وتم تشغيل مصدر الطاقة DC لمدة 10 دقائق. تعمل كاميرا التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء على تحويل الطاقة غير المرئية المنبعثة من ركيزة الألومنيوم إلى صورة مرئية، وتمثل الألوان المختلفة في الصورة درجات حرارة مختلفة على سطح ركيزة الألومنيوم، ويتم تحليل حالة تبديد الحرارة من خلال لون الصورة.
احصل على الصور الحرارية بالأشعة تحت الحمراء لأجهزة LED المعبأة في COB ومصابيح LED المعبأة في SMD.
من خلال مراقبة وتحليل الصور الحرارية بالأشعة تحت الحمراء، يمكن ملاحظة أن مصابيح LED المعبأة بتقنية COB لها ألوان موحدة ولا تحتوي على بقع، مما يشير إلى التوصيل الحراري الموحد والمقاومة الجيدة للحرارة؛ مصابيح LED المعبأة مع SMD لها ألوان وبقع غير متساوية، مما يشير إلى توزيع غير متساو للحرارة و ضعف أداء تبديد الحرارة.ليست جيدة.
تحلل هذه المقالة أداء تبديد الحرارة لمصابيح LED المستندة إلى تقنية COB، وتجري تحليلًا مكافئًا للمقاومة الحرارية وتجارب التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء على أجهزة LED المعبأة باستخدام هذه الطريقة. تظهر النتائج أن أجهزة LED المعبأة باستخدام تقنية COB تقصر قناة تبديد الحرارة، يتم زيادة مساحة تبديد الحرارة وتقليل المقاومة الحرارية، وبالتالي تحسين أداء تبديد الحرارة لـ LED، ولعب دورًا جيدًا في جميع جوانب أداء جهاز LED وإطالة عمر الخدمة.
