¿Cuáles son los requisitos clave para el diseño de embalaje y disipación de calor de lámparas de alta-lámparas para evitar el sobrecalentamiento y afectar su vida útil?

一, Materiales de embalaje: un equilibrio entre características termodinámicas y estabilidad a largo plazo-
1. El material del sustrato: Reemplazar el plástico por sustrato cerámico se ha vuelto común.
Los sustratos de plástico tradicionales (como el FR-4) tienen una conductividad térmica de sólo 0,3-0,5 W/(m · K), lo que significa que las luces con más de 50 W de potencia pueden tener puntos calientes fácilmente. La conductividad térmica del sustrato cerámico de nitruro de aluminio (AlN) puede ser tan alta como 170–230 W/(m · K), y la conductividad térmica del sustrato cerámico de óxido de aluminio (Al ₂ O3) puede ser tan baja como 24–35 W/(m · K). Ambos materiales pueden reducir considerablemente la resistencia térmica. Dinghongrun Company, por ejemplo, emplea chips LED con sustratos cerámicos hechos de nitruro de aluminio. La temperatura de la unión es 25 grados Celsius más baja que la de los productos de sustrato plástico después de 1000 horas de uso continuo, y la tasa de degradación de la luz cae del 15% al ​​5%.
2. Polvo fluorescente y adhesivo encapsulante: trabajan juntos para hacer que los elementos sean resistentes a las altas temperaturas y estables a la luz.
Los LED de alta-potencia tienen intensidades de excitación de luz azul que son de 3 a 5 veces mayores que las de los productos normales. Cuando la temperatura supera los 150 grados, los envases de silicona tradicionales pueden volverse amarillos, lo que los hace menos eficaces para dejar pasar la luz. La industria contemporánea utiliza un pegamento encapsulante compuesto inorgánico de silicio orgánico que puede soportar temperaturas de -60 grados a 250 grados. Después de 1000 horas de uso continuo a 200 grados, todavía deja pasar más del 90% de la luz. Cuando se trata de elegir fósforos, los fósforos de nitruro (como - SiAlON: Eu ² ⁺) son la mejor opción para situaciones de alta temperatura, como los faros de los automóviles, ya que su tasa de desintegración de eficiencia cuántica es un 40% menor que la de los fósforos YAG estándar.
3. Material de cristal sólido: adhesivo plateado con fuerte conductividad térmica y tecnología de soldadura eutéctica.
La pasta térmica tradicional tiene una resistencia térmica de 0,1 a 0,3 grados ·cm²/W. Después de que la pasta de nanoplata se endurezca, la resistencia térmica se puede reducir a 0,02 grados·cm²/W. Cierto fabricante de faros para automóviles emplea soldadura eutéctica a baja-temperatura para conectar directamente chips LED a sustratos de cobre. Esto reduce la resistencia térmica del contacto de 0,5 grados ·cm²/W a 0,05 grados ·cm²/W y la temperatura de unión del chip en 18 grados.
2. La forma en que se libera el calor: un conducto-de baja impedancia desde el chip al mundo exterior
1. Placa de revestimiento de absorción de calor: conductividad térmica transversal reforzada con microestructura
La placa de revestimiento absorbente de calor-debe tener una alta planitud y una alta tasa de transferencia de calor transversal. La fresadora procesó placas de revestimiento absorbentes de calor-de aleación de aluminio con una rugosidad superficial de Ra menor o igual a 0,8 μm. La resistencia térmica de contacto con chips LED se puede mantener por debajo de 0,01 grados·cm²/W. Cierta empresa que fabrica iluminación industrial produjo una estructura de microcanales dentro de la placa de revestimiento absorbente de calor. Esto hizo que el flujo de refrigerante fuera un 30 % más fácil y la disipación de calor un 25 % mejor mediante el uso de un tratamiento de superficie de hoja de loto biomimético.
2. Aletas de disipación de calor: un diseño que imita la naturaleza y mejora el flujo de aire
Cuando hay convección natural, las aletas paralelas tradicionales no disipan tan bien el calor. Por otro lado, las aletas con estructura de piel de tiburón biomimética pueden reducir el espesor de la capa límite térmica en un 40%. Una empresa que fabrica exhibidores para exteriores utiliza un diseño de aletas trapezoidales y cambia el espacio entre las aletas de 5 mm a 3 mm. El área de disipación de calor crece un 22% y la resistencia térmica cae un 18% cuando la velocidad del viento es de 2 m/s. La tecnología Heat Pipe se ha convertido en una solución importante para su uso en espacios pequeños. Un fabricante de proyectores utiliza tubos de calor sinterizados, que tienen una conductividad térmica de 5000 W/(m · K). Esto es más de 1000 veces mejor que el cobre puro.
3. Estructura general: diseño modular y fundición a presión-integrada
El proceso de fundición a presión de aleación de aluminio-integrado puede eliminar la resistencia térmica que surge del contacto en los sistemas de ensamblaje típicos. Cierto fabricante de farolas utiliza el método de fundición a presión integral-de aleación de aluminio AA1070 para combinar la sala de fuente de luz, la sala eléctrica y la carcasa de disipación de calor. Esto reduce la resistencia térmica del sistema de 1,2 grados/W a 0,8 grados/W. Para los módulos de alta-potencia, el diseño modular se ha convertido en una tendencia. Cierta empresa que fabrica faros para automóviles divide el módulo LED de 300 W en tres submódulos de 100 W. Cada submódulo tiene su propio canal de disipación de calor, que reduce la temperatura máxima de unión de 150 grados a 120 grados.
3, confiabilidad del sistema: verificar la conectividad de múltiples campos físicos
1. Análisis de acoplamiento termomecánico: evitar la rotura de materiales
Durante la prueba de ciclos de temperatura de -40 a 125 grados Celsius, puede ocurrir fatiga en la junta de soldadura cuando los coeficientes de expansión térmica (CTE) de diferentes materiales no coinciden. Cierta empresa que fabrica luces de aviación empleó análisis de elementos finitos (FEA) para mejorar la arquitectura de la PCB. Esto redujo la diferencia de CTE entre la lámina de cobre y el sustrato cerámico de 15 ppm/grado a 5 ppm/grado y la vida útil de la unión de soldadura aumentó de 2000 ciclos a 10000 ciclos.
2. Prueba de acoplamiento óptico térmico: gestión de cambios en la temperatura de color y pérdida de luz
La variación de la temperatura del color de los LED de alta-potencia es directamente proporcional a la temperatura de la unión. Un fabricante de pantallas de visualización específico instaló una plataforma de prueba para el acoplamiento óptico térmico y descubrió que la variación de la temperatura del color pasó de 200 K a 500 K cuando la temperatura de la unión pasó de 85 grados a 125 grados. La variación de la temperatura del color se mantuvo dentro de ± 100 K mejorando la forma en que se realizó el recubrimiento de fósforo.
3. Envejecimiento acelerado-a largo plazo: utilizando los estándares LM-80 y TM-21
El estándar de prueba LM-80 dice que la lámpara debe funcionar continuamente durante 6000 horas a tres temperaturas diferentes: 55 grados, 85 grados y 105 grados. Luego, se utiliza el algoritmo TM-21 para calcular cuánto durará. Los datos de pruebas de una determinada empresa de iluminación industrial muestran que sus lámparas de sustrato cerámico tardan 8000 horas en desintegrarse al 70% a 105 grados. Esto es mucho más que la norma de la industria, que es de 50.000 horas.
4. Las tendencias técnicas más importantes de la industria.
Disipación de calor mediante metal líquido: el metal líquido a base de galio-tiene una conductividad térmica de 30 W/(m · K), que es 60 veces mayor que la del agua. Una empresa que fabrica proyectores láser utiliza microcanales de metal líquido para enfriar la temperatura de unión de una fuente de luz de 3000 W a menos de 80 grados.
Película para disipación de calor de grafeno: la conductividad térmica del grafeno de una sola-capa es de 5300 W/(m · K). Cierta empresa que fabrica flashes para teléfonos móviles ha aplicado un revestimiento de grafeno a las placas posteriores de LED, lo que hace que el calor se propague tres veces más rápido.
Material de cambio de fase (PCM): una empresa de iluminación exterior coloca PCM a base de parafina-entre las aletas de disipación de calor. Este material absorbe calor durante el día y se derrite, luego libera calor por la noche y se solidifica. Esto reduce el rango de cambios de temperatura de la unión durante el día en 15 grados.