Quais são os principais requisitos para o design de embalagem e dissipação de calor de lâmpadas-de alta resistência para evitar superaquecimento e afetar sua vida útil?

一, Materiais de embalagem: um equilíbrio entre características termodinâmicas e estabilidade-de longo prazo
1. O material do substrato: A substituição do plástico pelo substrato cerâmico tornou-se comum.
Substratos plásticos tradicionais (como FR-4) têm uma condutividade térmica de apenas 0,3–0,5 W/(m · K), o que significa que luzes com mais de 50 W de potência podem facilmente atingir pontos quentes. A condutividade térmica do substrato cerâmico de nitreto de alumínio (AlN) pode ser tão alta quanto 170–230W/(m · K), e a condutividade térmica do substrato cerâmico de óxido de alumínio (Al ₂ O3) pode ser tão baixa quanto 24–35W/(m · K). Ambos os materiais podem reduzir bastante a resistência térmica. A Dinghongrun Company, por exemplo, emprega chips de LED com substratos cerâmicos feitos de nitreto de alumínio. A temperatura da junção é 25 graus Celsius inferior à dos produtos de substrato plástico após 1000 horas de uso contínuo, e a taxa de degradação da luz cai de 15% para 5%.
2. Pó fluorescente e adesivo encapsulante: trabalham juntos para tornar as coisas resistentes a altas temperaturas e estáveis ​​à luz
LEDs de alta-potência têm intensidades de excitação de luz azul que são 3 a 5 vezes maiores que as dos produtos normais. Quando a temperatura ultrapassa os 150 graus, a embalagem tradicional de silicone pode ficar amarela, o que a torna menos eficaz na passagem da luz. A indústria contemporânea usa uma cola de encapsulamento composta inorgânica de silício orgânico que pode suportar temperaturas de -60 graus a 250 graus. Após 1000 horas de uso contínuo a 200 graus, ainda deixa passar mais de 90% da luz. Quando se trata de escolher fósforos, os fósforos de nitreto (como - SiAlON: Eu ² ⁺) são a melhor escolha para situações de alta temperatura, como faróis de carros, uma vez que sua taxa de decaimento de eficiência quântica é 40% menor do que a dos fósforos YAG padrão.
3. Material de cristal sólido: adesivo prateado com forte condutividade térmica e tecnologia de soldagem eutética
A pasta térmica tradicional tem uma resistência térmica de 0,1–0,3 graus ·cm²/W. Após o endurecimento da pasta de nanoprata, a resistência térmica pode ser reduzida para 0,02 graus ·cm²/W. Um certo fabricante de faróis de automóveis emprega soldagem eutética de baixa-temperatura para conectar diretamente chips de LED a substratos de cobre. Isto reduz a resistência térmica do contato de 0,5 graus ·cm²/W para 0,05 graus ·cm²/W e a temperatura da junção do chip em 18 graus.
2, A forma como o calor é liberado: um conduíte de baixa-impedância do chip para o mundo externo
1. Placa de revestimento de absorção de calor: condutividade térmica transversal reforçada com microestrutura
A placa de revestimento-de absorção de calor deve ter alta planicidade e alta taxa de transferência de calor transversal. A fresadora processou placas de revestimento-de absorção de calor de liga de alumínio com rugosidade superficial de Ra menor ou igual a 0,8 μm. A resistência térmica de contato com chips LED pode ser mantida abaixo de 0,01 grau ·cm²/W. Uma certa empresa que fabrica iluminação industrial produziu uma estrutura de microcanais dentro da placa de revestimento-de absorção de calor. Isso tornou o fluxo do refrigerante 30% mais fácil e a dissipação de calor 25% melhor usando um tratamento biomimético de superfície de folha de lótus.
2. Aletas de dissipação de calor: um design que imita a natureza e melhora o fluxo de ar
Quando há convecção natural, as aletas paralelas tradicionais também não dissipam o calor. Por outro lado, as barbatanas biomiméticas da estrutura da pele do tubarão podem reduzir a espessura da camada limite térmica em 40%. Uma empresa que fabrica displays para ambientes externos usa um design de aleta trapezoidal e altera o espaçamento entre as aletas de 5 mm para 3 mm. A área de dissipação de calor aumenta 22% e a resistência térmica cai 18% quando a velocidade do vento é de 2m/s. A tecnologia de tubos de calor tornou-se uma solução importante para uso em espaços pequenos. Tubos de calor sinterizados, que possuem condutividade térmica de 5.000 W/(m · K), são usados ​​por um fabricante de projetores. Isto é mais de 1000 vezes melhor que o cobre puro.
3. Estrutura geral: design modular e fundição integrada-
O processo integrado de fundição-de liga de alumínio pode eliminar a resistência térmica resultante do contato em sistemas de montagem típicos. Um determinado fabricante de luminárias de rua usa o método de fundição integral-de liga de alumínio AA1070 para combinar a sala da fonte de luz, a sala elétrica e o invólucro de dissipação de calor. Isto reduz a resistência térmica do sistema de 1,2 graus /W para 0,8 graus /W. Para módulos-de alta potência, o design modular tornou-se uma tendência. Uma certa empresa que fabrica faróis de automóveis divide o módulo LED de 300W em três submódulos de 100W. Cada submódulo possui seu próprio canal de dissipação de calor, que reduz a temperatura máxima da junção de 150 graus para 120 graus.
3, Confiabilidade do sistema: verificando a conectividade de vários campos físicos
1. Análise de acoplamento termomecânico: impedindo a quebra de materiais
Durante o teste de ciclo de temperatura de -40 a 125 graus Celsius, a fadiga da junta de solda pode ocorrer quando os coeficientes de expansão térmica (CTE) de diferentes materiais não coincidem. Uma certa empresa que fabrica luzes para aviação empregou análise de elementos finitos (FEA) para melhorar a arquitetura do PCB. Isso reduziu a diferença de CTE entre a folha de cobre e o substrato cerâmico de 15 ppm/grau para 5 ppm/grau e a vida útil da união de solda aumentou de 2.000 ciclos para 10.000 ciclos.
2. Teste de acoplamento óptico térmico: gerenciando mudanças na temperatura da cor e perda de luz
A variação da temperatura de cor dos LEDs de alta{0}}potência é diretamente proporcional à temperatura da junção. Um fabricante específico de telas configurou uma plataforma de testes para acoplamento óptico térmico e descobriu que o desvio da temperatura da cor passou de 200K para 500K quando a temperatura da junção passou de 85 graus para 125 graus. O desvio da temperatura da cor foi mantido dentro de ± 100K, melhorando a forma como o revestimento de fósforo foi feito.
3. Envelhecimento acelerado-de longo prazo: usando os padrões LM-80 e TM-21
O padrão de teste LM-80 diz que a lâmpada deve funcionar continuamente por 6.000 horas em três temperaturas diferentes: 55 graus, 85 graus e 105 graus. Em seguida, o algoritmo TM-21 é usado para descobrir quanto tempo durará. Dados de teste de uma determinada empresa de iluminação industrial mostram que suas lâmpadas de substrato cerâmico levam 8.000 horas para decair até 70% a 105 graus. Isso é muito mais longo do que a norma para a indústria, que é de 50.000 horas.
4. As tendências técnicas mais importantes da indústria
Dissipação de calor usando metal líquido: o metal líquido à base de gálio tem uma condutividade térmica de 30 W/(m · K), que é 60 vezes maior que a da água. Uma empresa que fabrica projetores a laser usa microcanais de metal líquido para resfriar a temperatura de junção de uma fonte de luz de 3.000 W para menos de 80 graus.
Filme para dissipação de calor de grafeno: A condutividade térmica do grafeno de-camada única é 5300W/(m · K). Uma certa empresa que fabrica flashes para celulares colocou revestimento de grafeno nas placas traseiras de LED, o que faz com que o calor se espalhe três vezes mais rápido.
Material de mudança de fase (PCM): uma empresa de iluminação externa coloca PCM à base de parafina-entre as aletas de dissipação de calor. Este material absorve calor durante o dia e derrete, depois libera calor à noite e solidifica. Isso reduz a faixa de mudanças de temperatura nas junções diurnas em 15 graus.