Výzvy tepelného manažmentu v LED chladičoch
Pri vysokovýkonnom osvetlení LED{0} je dôležité efektívne riadenie teploty, aby sa zabránilo prehrievaniu, ktoré znižuje svetelnú účinnosť a skracuje životnosť. LED chladiče musia rýchlo odvádzať teplo preč z LED spoja, rovnomerne šíriť teplo, aby sa predišlo horúcim bodom, udržiavať výkon pri veľkých teplotných výkyvoch a dlhých prevádzkových hodinách, zostať ľahké a tvarovateľné pre kompaktné konštrukcie a odolávať oxidácii a korózii pri meniacej sa vlhkosti a okolitých podmienkach. Karbid kremíka je pre túto úlohu atraktívny vďaka svojej vnútornej tepelnej vodivosti približne 120-200 W/m·K pre vysoko čistý materiál a nízkemu koeficientu tepelnej rozťažnosti, ale spôsob jeho integrácie do značnej miery závisí od vlastností častíc.
Ako veľkosť častíc SiC ovplyvňuje výkon chladiča
| Trieda častíc | Rozsah veľkostí | Vplyv na výkon |
|---|---|---|
| Hrubý | Viac ako 20 mikrónov, približne 500 mesh | Vytvára medzery v matrici, znižuje tepelnú vodivosť kompozitu, zvyšuje tepelnú odolnosť na rozhraní, môže oslabiť mechanickú pevnosť v dôsledku zlého spojenia |
| Stredná | 5-20 mikrónov | Lepšie balenie a lepšie tepelné cesty; vhodné pre tlakovo liate{0}}kovové matricové kompozity, kde záleží na tekutosti |
| Dobre | Menej ako 5 mikrónov, až po submikrón | Vyššia hustota balenia, súvislejšie tepelné cesty, znížené medzifázové medzery, zlepšená povrchová úprava a kontrola rozmerov |
Prečo jemné častice SiC pomáhajú
Teplo prechádza cez pevnú SiC sieť vo vnútri kompozitu. Menšie, dobre{1}}dispergované častice minimalizujú vzduchové medzery a maximalizujú-prierezovú plochu dostupnú pre fonónový prenos, čo zvyšuje kompozitnú tepelnú vodivosť smerom k vnútornej hodnote SiC. Jemné častice sa tiež lepšie zarovnávajú počas extrúzie a vstrekovania, zachovávajú tepelné cesty cez diel a zlepšujú povrchovú úpravu a rozmerovú kontrolu v lisovaných chladičoch. Praktickým výsledkom je rovnomernejšie šírenie tepla a nižšia teplota spoja LED v kompaktných,-výkonných prevedeniach.
Čistota SiC a jej vplyv na spoľahlivosť
Čistota ovplyvňuje tepelnú stabilitu a chemickú odolnosť počas životnosti chladiča.
| Úroveň čistoty | Typické nečistoty | Vplyv na LED chladiče |
|---|---|---|
| SiC 88, asi 88 % SiC | Asi 10-12% SiO2 a iné | Nižšia tepelná vodivosť v dôsledku fonónového rozptylu; SiO2 môže oxidovať alebo reagovať pri vysokej teplote, čím sa znižuje životnosť |
| Vysoká čistota, najmenej 98% | Menej ako 2 % nečistôt | Vyššia, stabilnejšia tepelná vodivosť; menšia degradácia v priebehu času |
| Elektronická kvalita, viac ako 99,5 % | Stopové kovové a iónové nečistoty | Maximalizuje vodivosť a minimalizuje uvoľňovanie plynov; nevyhnutné pre vysokú{0}}spoľahlivosť a vysoký{1}}výkon LED diód |
Pre LED chladiče sa odporúča čistota aspoň 98 % a zelený SiC nad 99 % sa používa v prémiových aplikáciách, kde sa vyžaduje maximálny tepelný výkon a dlhodobá-stabilita.
Možnosti kompozitnej matice
SiC sa zriedka používa ako samostatný chladič; je kombinovaný s matricou, ktorá vyhovuje aplikácii. Kompozit s kovovou matricou Al-SiC s hliníkovou matricou využíva nízku hmotnosť hliníka a vysokú vodivosť SiC, pričom jemný SiC zlepšuje priľnavosť a znižuje medzifázový odpor. Medená matrica ponúka vyššiu vodivosť, ale zvyšuje hmotnosť a jemný vysoko čistý SiC -optimalizuje tepelné cesty kĺbov. Spekané keramické telesá sú priamo tvarované SiC, vytvorené beztlakovým spekaním alebo izostatickým lisovaním za tepla, pre pasívne vysokoteplotné-výlevky; tu jemná veľkosť častíc zaisťuje hustú štruktúru-bez pórov. Vo všetkých cestách jemné častice SiC zlepšujú zmáčavosť v procesoch infiltrácie kovu a hustotu surového telesa pri keramickom spekaní, čo vedie k lepšiemu konečnému tepelnému výkonu.
Príklady použitia a pokyny pre výber
V automobilových LED svetlometoch poskytujú kompozity Al-SiC kovovej matrice s 2-5 mikrónovými časticami s čistotou 98 % alebo vyššou ľahké chladiče s vysokou-vodivosťou, ktoré odolávajú teplotám v motorovom priestore. Moduly pouličného osvetlenia využívajú spekané rozvádzače tepla SiC s jemným zeleným SiC nad 99 % a submikrónovým ovládaním pre stabilný vonkajší výkon. Priemyselné LED-diódy využívajú medené-siC kompozity s jemným{10}} SiC na maximalizáciu odvodu tepla v stiesnených priestoroch a UV LED systémy vytvrdzovania využívajú keramické SiC výlevky s ultrajemnými časticami, aby odolali vysokému sálavému toku a teplote. Pri výbere triedy sa zamerajte na požadovanú tepelnú vodivosť výberom jemnejšej veľkosti častíc a vyššej čistoty, prispôsobte veľkosť častíc výrobnej metóde, zvážte hmotnostné obmedzenia spárovaním jemného SiC s matricami z ľahkých kovov a vyvážte náklady použitím jemného materiálu s vysokou čistotou, kde je kritický výkon, a nie naprieč celým dielom.
FAQ
Otázka 1: Prečo nepoužívať hrubý SiC pre chladiče LED?
Odpoveď: Hrubé častice vytvárajú medzery v matrici, čím zvyšujú tepelný odpor na rozhraní a znižujú vodivosť kompozitu a môžu tiež oslabiť mechanické spojenie.
Q2: Naozaj zvyšuje SiC s vyššou čistotou životnosť LED?
A: Áno. Materiál s vyššou-čistotou si zachováva stabilný tepelný výkon a odoláva oxidácii počas dlhých prevádzkových období, čím sa znižuje degradácia, ktorá skracuje životnosť.
Otázka 3: Aká je najlepšia veľkosť častíc pre chladiče Al-SiC MMC?
Odpoveď: Typicky 2-5 mikrónov, čo poskytuje optimálnu hustotu balenia a nepretržité tepelné cesty pri zachovaní dobrej tekutosti pri odlievaní.
Q4: Môžu byť zmiešané rôzne veľkosti častíc SiC?
A: Áno. Odstupňovaná distribúcia veľkosti môže zlepšiť balenie a znížiť dutiny v odlievaných alebo sintrovaných častiach za predpokladu, že zmes zostane konzistentná od dávky k dávke.
Q5: Aká čistota je potrebná pre vonkajšie LED svietidlá?
Odpoveď: Vo všeobecnosti sa odporúča čistota aspoň 98 %, so zeleným SiC nad 99 % pre špičkové vonkajšie aplikácie a aplikácie s vysokou-spoľahlivosťou.