LEDベースの開発における静的および一時的な熱管理の両方を理解する

LEDベースの開発における静的および一時的な熱管理の両方を理解する

LEDは複雑なデバイスです。 半導体の設計および動作に関連する通常の問題だけでなく、LEDは主に発光するように設計されています。 したがって、光学コーティング、リフレクタおよびレンズのようなビーム管理装置、および大部分の白色光エミッタ、波長変換蛍光体のさらなるシステム複雑性が存在する。 それでも、熱管理は、信頼性の高いソリッドステート・ライティング(SSL)製品にとって重要な要素です。さらに、静的実装と過渡実装の両方でLEDを冷却する方法を理解する必要があります。


LEDの場合、2つの温度管理パラメータを尊重する必要があります。 これらは、望ましい動作温度と最高動作温度です。 一般的なガイドラインとして、望ましい動作温度は可能な限り低くする必要があります。これを実現することで、優れたスペクトル品質と長いデバイス寿命で高い電気光学効率を保証します。 高温での動作は、品質および量に関してLEDによって生成される光を劣化させるだけでなく、最終的には多数の故障メカニズムを引き起こす。


LEDメーカーはこれらの落とし穴に精通しており、約130℃の接合部温度まで完全に幸福に機能する製品を設計することができます。 プリント回路基板(PCB)の温度は、LEDパッケージの熱抵抗のために約10℃低くなります。 定格ジャンクション温度を超えると、LEDの寿命は10℃上昇するごとに約半分になります。


LEDの静的冷却

LEDを冷却する従来の方法は、半導体デバイスをヒートシンクに取り付けることである。 LEDからの熱は、伝導によってヒートシンクに入り、その後、空気中に放散される。 関連する熱除去システムは、作動流体が室温より低い一定温度にあるように頻繁に設計されるので、熱が水または別の流体によって除去される場合、ヒートシンクは時にはコールドプレートと呼ばれる。


イチジク。 材料は様々な程度の熱伝導率を有する。


LEDからヒートシンクへの熱の効果的な伝達を実現するには、熱伝導率の高い材料を指定するだけでよい。 例えば、図2のグラフから、 図1に示すように、銅はアルミニウムおよび黄銅より優れているようであり、ステンレス鋼よりも優れている。

銅がこれらの金属の最高の熱伝導体であることは真実ですが、熱伝導率のメトリックは材料の厚さを考慮していません。 材料を通して伝導によって熱を伝達する能力の点で重要なことは、熱伝導率で割った厚さである熱抵抗である。



誘電体と気流

例えば、中・高出力LEDアレイがしばしば構築される熱PCBを考えてみましょう。 上面にはLEDと電気的に接続するための銅トラッキングがあり、その下には熱を伝導するためのアルミニウム板があります。 銅とアルミニウムとの間には、アルミニウムへの銅トラックの電気的短絡を防止するための誘電体層がある。 様々な製造業者が、有機化合物から無機化合物への完全なスペクトルに及ぶ誘電体材料の選択において異なるアプローチを取ってきた。 図3 図2に示すように、最も小さい熱抵抗を有する誘電体材料は、要求される誘電体分離を依然として提供しながら、最も薄く適用することができるものである。


イチジク。 2.誘電体の厚さが熱抵抗に影響します。



残念ながら、Fig。 2は完全な画像を提示しない。 LEDとヒートシンクフィンとの間の熱経路において、デバイスが空冷されていると仮定すると、多数のインターフェースが存在することになる。 はんだで架橋するものもあれば、接着剤で架橋するものもあれば、ネジを使用して一緒に押し付けるものもあります。 これらのジョイントは熱の伝導にさらなる障壁をもたらします。その大きさは大きく、予測が難しく、時間の経過とともに変化する可能性があります。 それぞれの熱抵抗は、界面抵抗と呼ばれます。


システム内のすべての熱抵抗とインタフェース抵抗の直列/並列加算を熱インピーダンスと呼び、伝導経路を設計してLEDを冷却します。 計算は、電気抵抗ネットワークに類似しています。 Fig。 図3に示すように、電圧は本質的に計算上の温度であり、電流は熱流であり、結果としての電気抵抗は熱抵抗である。



イチジク。 3.開発作業では、熱伝導経路に相当する電気抵抗に頼ることができます。 熱インピーダンスの完全なシステムモデルに到達するには、材料間の各遷移時に熱界面抵抗を追加する必要があります。


LEDの過渡冷却

先の議論では、LEDが恒久的に通電され、ヒートシンクが熱エネルギーを周囲の空気に連続的に散逸させる定常状態を仮定している。 この熱モデルが故障する2つの状況があります。 これらは、LEDのスイッチオン時、より一般的にはパルス動作時である。 意外なことに、連続動作時にLEDを冷却し続けるが、スイッチオン時に過熱するような熱経路を設計することは可能である。 このように操作されると、関連する熱変位は、タングステンランプフィラメントのスイッチオン破壊に類似した方法でLEDの急激な故障を引き起こす可能性がある。 したがって、LEDの熱ソリューションの設計では、過渡的な動作を考慮する必要があり、時間と空間の両方の変数が含まれています。

時間依存性

過渡冷却の時間成分は、熱経路内の材料の比熱容量のために生じる。 これは、コンデンサとしての熱抵抗の電気モデルに追加することができます(図4)。 材料の熱容量は、所定の温度によって固定質量を上昇させるのに必要なエネルギーである。 適用される熱のステップ機能により、時間に対する温度上昇を表す熱時定数が得られる。 したがって、システムの熱応答は、それぞれが異なる時定数を有し、熱経路の異なる成分に対応する多くの指数曲線の重ね合わせである。



イチジク。 4.熱伝導の時間依存性は、電気等価モデルがローパスRCフィルタである、システム内の材料の熱容量に起因して生じる。


電気モデルの類推は、材料の時間に関連する熱特性を記述するために熱インピーダンスという用語が時々使用されることを意味する。 完全なシステムの静的熱抵抗を表す熱インピーダンスという用語と混同する可能性があることに注意してください。



累積構造関数

熱伝導経路の時間成分を決定する際の材料の役割を分析するための有用な視覚的ツールは、累積構造関数である(図5)。 これは熱流路全体の熱容量対熱抵抗のグラフとして表されるシステムの熱インピーダンスです。 原点は電力が生成される場所に対応し、エンドポイントは通常周囲の空気と関連しています。




イチジク。 5.累積構造関数は、LEDダイとそのヒートシンクの間の経路の熱容量と熱抵抗のマップを提供します。



すべての材料は熱容量と熱抵抗の両方の要素を有するため、システム内の各構成要素は特定の勾配を有する線として描かれている。 固体材料間の界面は抵抗性であるが本質的に熱容量がゼロであり、したがって水平線として存在するが、周囲空気の終点は抵抗の変化が無限大の容量を有し、したがって垂直線も存在する。


累積構造関数の開始点と終了点が固定されているので、全体的な熱抵抗は同じであるが実質的に異なる過渡現象を有する複数の冷却解を考えることができる。 例えば、図7のグラフは、 図6は、LED熱管理ソリューションの一部である4つの材料の熱伝導率と熱容量を示しています。 順位付けの順序は、パラメータがより重要と考えられて変化する。



イチジク。 6.チャートは、様々な材料の熱伝導率と熱容量を示しています。



フラッシュ時間がマイクロ秒で測定される高速コンベヤ上で画像を凍結するように設計されたマシンビジョンシステムなどのLEDのパルス動作では、半導体に隣接して高い熱容量を有することが好ましい。 連続運転の通常の役割のために、ダイとヒートシンクとの間の低い熱抵抗がより重要である。


理論的には、過渡冷却の時間依存性は、LEDの温度が周囲温度で始まり、定常状態の値で飽和するように漸近的に上昇することを意味する必要があります。 しかしながら、現実の状況は、他の動的な用語、すなわち空間依存性により、より複雑である。



空間依存性

過渡冷却の空間成分は、熱がすべての方向に広がる傾向から生じる。 例えば、大型の薄い金属板に取り付けられたLEDを考える。 最初、プレート全体が周囲温度にあります。 LEDはポイント熱源として機能します。 スイッチがオンになると、LEDは熱を発生し、伝導によってプレートに移動します。 熱はプレートをすばやく通過し、LEDの下の領域の温度を上げます。 したがって、当初は、LEDを冷却するために少量のプレートしか使用されていない。 金属プレートの導電率は、LEDからの熱の一部がプレートの厚さ内で横方向に広がり、最終的にLEDからある程度離して表面に現れることを意味します(図7参照)。 したがって、LEDの冷却に積極的に関与する金属板の体積は、時間とともに増加し、見掛けの熱抵抗および熱容量もまた変化する。


イチジク。 薄い金属板上の高温物体の単純な有限要素熱モデルは、冷却に関与する板材料の体積の変化として空間依存性を示す。 モデルは、左上から右下に向かって増加するように計算 された。




非常に限られた範囲では、過渡冷却の空間成分は、二次およびより高い時間依存性を提供するために追加のRCネットワークを含めることによって、熱伝達の電気モデルに組み込むことができます。 しかしながら、温度による材料特性の非線形性のような他の影響のために、電気的モデルのアプローチは有限要素および他の計算方法に有利に置き換えることができる。


空間依存性は、経路に高い熱抵抗の界面または層がある場合に特に重要です。 この障壁よりも先に可能な限り大きな面積に熱を拡散させるステップを実行することにより、LEDのより良好な冷却が、定常状態およびパルス動作の両方で可能になる。


対流と放射

周囲温度を超える物質は、対流や放射線によって熱を失います。 これらはタングステンフィラメントランプの冷却の主要なメカニズムですが、LEDの熱管理にはほとんど影響しません。 それにもかかわらず、実際の状況に最も近い可能性のある一致を確実にするために、これらのモデルをどのモデルにも組み込む必要があります。


結論として、最高の効率を達成し、光出力および寿命の安定性を保証するためには、LEDを冷却する必要があります。 単純な定常状態の熱伝導モデルは、電気部品に基づくモデルを使用して構成することができます。 ただし、熱経路、特に過渡状態での挙動を正しく理解するには、時間、空間、および温度に依存する効果に対応できるツールを使用する方がよいでしょう。


熱伝導の時間および空間依存性は、材料の選択に関して階層構造が存在する理由を説明します。この階層では、高い比熱容量または良好な熱伝導率の選択が、熱経路内の材料の位置および期待される動作モードLED。