उच्च-शक्ति एलईडी का थर्मल प्रबंधन

उच्च विद्युत् प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) में 350 मिलीवाट या अधिक का उपयोग कर सकते हैं। एलईडी में अधिकांश बिजली प्रकाश के अतिरिक्त ऊष्मा बन जाती है (लगभग 70% ऊष्मा और 30% प्रकाश)। यदि इस ऊष्मा को दूर नहीं किया जाता है, तो एलईडी उच्च तापमान पर चलते हैं, जिससे न केवल उनकी दक्षता कम हो जाती है, बल्कि एलईडी की विश्वसनीयता इंजीनियरिंग भी कम हो जाती है। इस प्रकार, उच्च विद्युत् एलईडी का ऊष्मीय प्रबंधन अनुसंधान और विकास का महत्वपूर्ण क्षेत्र है। समागम और फॉस्फोर कणों के तापमान दोनों को उस मान तक सीमित करना आवश्यक है जो वांछित एलईडी जीवनकाल की गारंटी देता है। ऊष्मीय प्रबंधन (इलेक्ट्रॉनिक्स) बिजली घनत्व से संबंधित सार्वभौमिक समस्या है, जो उच्च विद्युत् या छोटे उपकरणों दोनों में होती है। कई प्रकाश अनुप्रयोग अत्यंत छोटे प्रकाश उत्सर्जक कार्यद्रव्य के साथ उच्च प्रकाश प्रवाह को संयोजित करना चाहते हैं, जिससे एलईडी विद्युत् प्रबंधन के साथ संबंध विशेष रूप से तीव्र हो जाती हैं।

ऊष्मा अंतरण प्रक्रिया
एलईडी के अच्छे प्रदर्शन को कम समागम तापमान बनाए रखने के लिए, एलईडी से ऊष्मा हटाने की हर विधि पर विचार किया जाना चाहिए। ऊष्मा चालन, संवहन और विकिरण ऊष्मा अंतरण के तीन साधन हैं। सामान्यतः, एलईडी पारदर्शी पोलीयूरथेन -आधारित रेज़िन में समाहित होते हैं, जो अल्प ऊष्मा चालकता है। उत्पादित लगभग सभी ऊष्मा चिप के पिछले हिस्से के माध्यम से संचालित होती है। विद्युत ऊर्जा द्वारा P-N समागम से ऊष्मा उत्पन्न की जाती है जिसे उपयोगी प्रकाश में परिवर्तित नहीं किया गया था, और समागम से सोल्डर बिंदु तक, सोल्डर बिंदु से बोर्ड तक, और बोर्ड से ऊष्मा अभिगम तक और फिर वायुमंडल में लंबे पथ के माध्यम से बाहरी वातावरण में संचालित किया जाता है। एक विशिष्ट एलईडी पार्श्वदृश्य और इसका ऊष्मीय मॉडल आंकड़ों में दिखाया गया है।

यदि ऊष्मीय प्रतिबाधा छोटी है और इसी तरह, कम परिवेश का तापमान है, तो समागम तापमान कम होगा। किसी दिए गए विद्युत् (भौतिकी) अपव्यय के लिए उपयोगी परिवेश तापमान सीमा को अधिकतम करने के लिए, समागम से परिवेश तक कुल ऊष्मीय प्रतिरोध को कम किया जाना चाहिए।

ऊष्मीय प्रतिरोध के मान सामग्री या घटक आपूर्तिकर्ता के आधार पर व्यापक रूप से भिन्न होते हैं। उदाहरण के लिए, RJC एलईडी निर्माता के आधार पर, 2.6°C/W से 18°C/W तक होगा। ऊष्मीय अंतरापृष्ठ सामग्री (टीआईएम) ऊष्मीय प्रतिरोध भी चयनित सामग्री के प्रकार के आधार पर भिन्न होगा। सामान्य टीआईएम ऐपोक्सी, ऊष्मीय ग्रीस, दबाव-संवेदनशील आसंजक और सोल्डर हैं। विद्युत् एलईडी अधिकांशतः धातु-कोर प्रिंटेड परिपथ बोर्ड (एमसीपीसीबी) पर लगाए जाते हैं, जो ऊष्मा अभिगम से जुड़े होंगे। एमसीपीसीबी और ऊष्मा अभिगम के माध्यम से संचालित ऊष्मा संवहन और विकिरण द्वारा नष्ट हो जाती है। पैकेज डिजाइन में, प्रत्येक घटक की पृष्ठ की समतलता और गुणवत्ता, लागू बढ़ते दबाव, संपर्क क्षेत्र, अंतरापृष्ठ सामग्री का प्रकार और इसकी मोटाई ऊष्मीय प्रतिरोध डिजाइन के लिए सभी महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं।

निष्क्रिय ऊष्मीय डिजाइन
उच्च विद्युत् एलईडी संचालन के लिए अच्छा ऊष्मीय प्रबंधन सुनिश्चित करने के लिए निष्क्रिय ऊष्मीय डिज़ाइन के लिए कुछ विचारों में सम्मिलित हैं:

आसंजक
आसंजक एक तापीय प्रवाहकीय अंतरापृष्ठ परत है, जिसका उपयोग सामान्यतः एलईडी और बोर्ड, और बोर्ड और ऊष्मा अभिगम को जोड़ने और ऊष्मीय प्रदर्शन को और अनुकूलित करने के लिए किया जाता है। वर्तमान वाणिज्यिक आसंजक अपेक्षाकृत कम तापीय चालकता ~1 W/(mK) द्वारा सीमित है।

ऊष्मा अभिगम
ऊष्मा अभिगम एलईडी स्रोत से बाहरी माध्यम तक ऊष्मा के लिए मार्ग प्रदान करते हैं। ऊष्मा अभिगम तीन तरीकों से बिजली का क्षय कर सकते हैं: ऊष्मा चालन (एक ठोस से दूसरे ठोस में ऊष्मा अंतरण), संवहन (एक ठोस से गतिशील तरल पदार्थ में ऊष्मा अंतरण, जो अधिकांश एलईडी अनुप्रयोगों के लिए वायु होगी), या विकिरण (ऊष्मीय विकिरण के माध्यम से विभिन्न पृष्ठ तापमान के दो निकायों से ऊष्मा अंतरण)। यद्यपि बड़ा पृष्ठ क्षेत्र बेहतर शीतलन प्रदर्शन की ओर ले जाता है, फिन और आसपास की वायु के बीच पर्याप्त तापमान अंतर उत्पन्न करने के लिए फिन के बीच पर्याप्त जगह होनी चाहिए। जब फिन एक-दूसरे के बहुत करीब खड़े होते हैं, तो बीच की वायु फिन के तापमान के लगभग समान हो सकती है, जिससे ऊष्मीय संचार नहीं होगा। इसलिए, अधिक फिन से जरूरी नहीं कि बेहतर शीतलन प्रदर्शन हो। 15 वॉट से अधिक के एलईडी स्रोतों और एलईडी कूलरों के बीच ऊष्मा हस्तांतरण के लिए, उच्च तापीय प्रवाहकीय अंतरापृष्ठ सामग्री (टीआईएम) का उपयोग करने की संस्तुति की जाती है जो 0.2 K/W से कम अंतरापृष्ठ पर ऊष्मीय प्रतिरोध पैदा करेगी। वर्तमान में, सबसे आम समाधान चरण-परिवर्तन सामग्री का उपयोग करना है, जिसे कमरे के तापमान पर ठोस पैड के रूप में लगाया जाता है, लेकिन फिर 45 डिग्री सेल्सियस से ऊपर बढ़ने पर यह गाढ़े, जिलेटिनस तरल पदार्थ में बदल जाता है।
 * सामग्री - जिस सामग्री से ऊष्मा अभिगम बनाया जाता है उसकी तापीय चालकता सीधे चालन के माध्यम से अपव्यय दक्षता को प्रभावित करती है। सामान्यतः यह एल्यूमीनियम होता है, चूंकि तांबे का उपयोग फ्लैट-शीट (फ्लैट चादर) ऊष्मा अभिगम के लिए लाभ के साथ किया जा सकता है। नई सामग्रियों में तापसुघट्य सम्मिलित हैं जिनका उपयोग तब किया जाता है जब ऊष्मा अपव्यय की आवश्यकताएं सामान्य या जटिल आकार से कम होती हैं, अंतःक्षेपी संचन द्वारा लाभान्वित किया जाएगा, और प्राकृतिक ग्रेफाइट समाधान जो एल्यूमीनियम की तुलना में कम वजन के साथ तांबे की तुलना में बेहतर ऊष्मीय स्थानांतरण प्रदान करते हैं और साथ ही जटिल दो-आयामी आकृतियों में बनने की क्षमता प्रदान करते हैं। ग्रेफाइट को असामान्य शीतलन समाधान माना जाता है और इसकी उत्पादन लागत अधिक होती है। प्रसार प्रतिरोध को कम करने के लिए एल्यूमीनियम या तांबे के ऊष्मा अभिगम में ऊष्माप्रवाहिका भी जोड़े जा सकते हैं।
 * आकार - ऊष्मीय स्थानांतरण ऊष्मा अभिगम की पृष्ठ पर होता है। इसलिए, ऊष्मा अभिगम को बड़े पृष्ठ क्षेत्र के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए। बड़ी संख्या में महीन फिन का उपयोग करके या ऊष्मा अभिगम के आकार को बढ़ाकर इस लक्ष्य तक पहुंचा जा सकता है।
 * पृष्ठ परिसज्जा - ऊष्मा अभिगम का ऊष्मीय विकिरण पृष्ठ परिसज्जा का कार्य है, खासकर उच्च तापमान पर है। एक चित्रित पृष्ठ में चमकदार, अप्रकाशित पृष्ठ की तुलना में अधिक उत्सर्जन क्षमता होगी। यह प्रभाव फ्लैट-प्लेट ऊष्मा अभिगम के साथ सबसे उल्लेखनीय है, जहां लगभग एक-तिहाई ऊष्मा विकिरण द्वारा नष्ट हो जाती है। इसके अतिरिक्त, एक बिल्कुल फ्लैट संपर्क क्षेत्र ऊष्मीय यौगिक की एक पतली परत के उपयोग की अनुमति देता है, जो ऊष्मा अभिगम और एलईडी स्रोत के बीच ऊष्मीय प्रतिरोध को कम कर देगा। दूसरी ओर, एनोडाइजिंग या निक्षारण से ऊष्मीय प्रतिरोध भी कम हो जाएगा।
 * आरोहण विधि - स्क्रू या स्प्रिंग्स के साथ ऊष्मा अभिगम आरोहण अधिकांशतः नियमित क्लिप, ऊष्मीय प्रवाहकीय गोंद या चिपचिपा टेप से बेहतर होती है।

ऊष्माप्रवाहिका और वाष्प कक्ष
ऊष्माप्रवाहिका और वाष्प कक्ष निष्क्रिय हैं, और इनमें 10,000 से 100,000 W/m K तक की प्रभावी तापीय चालकता है। वे एलईडी ऊष्मीय प्रबंधन में निम्नलिखित लाभ प्रदान कर सकते हैं:
 * न्यूनतम तापमान में गिरावट के साथ ऊष्मा को दूरस्थ ऊष्मा अभिगम तक पहुंचाएं
 * प्राकृतिक संवहन ऊष्मा अभिगम को समतापी करें, जिससे इसकी दक्षता बढ़ती है और इसका आकार कम होता है। एक स्थिति में, पांच ऊष्माप्रवाहिका जोड़ने से ऊष्मा अभिगम का द्रव्यमान 34%, 4.4 किलोग्राम से 2.9 किलोग्राम तक कम हो गया।
 * उच्च ताप प्रवाह को सीधे एलईडी के नीचे कुशलतापूर्वक कम ताप प्रवाह में परिवर्तित करें जिसे अधिक आसानी से हटाया जा सकता है।

पीसीबी (मुद्रित परिपथ बोर्ड)

 * एमसीपीसीबी - एमसीपीसीबी (धातु कोर प्रिंटेड परिपथ बोर्ड) वे बोर्ड हैं जो परिपथ बोर्ड के अभिन्न अंग के रूप में बेस धातु सामग्री को हीट विस्तारक के रूप में सम्मिलित करते हैं। धातु कोर सामान्यतः एल्यूमीनियम मिश्र धातु से बना होता है। इसके अतिरिक्त एमसीपीसीबी कम तापीय प्रतिरोध के लिए उच्च तापीय चालकता के साथ परावैद्युत बहुलक परत को सम्मिलित करने का लाभ उठा सकता है।
 * पृथक्करण - एलईडी ड्राइव परिपथिकी को एलईडी बोर्ड से अलग करने से ड्राइवर द्वारा उत्पन्न ऊष्मा को एलईडी समागम तापमान बढ़ाने से रोका जाता है।

सघन फिल्म सामग्री प्रणाली

 * योजक प्रक्रिया - सघन फिल्म चयनात्मक योजक जमाव प्रक्रिया है जो सामग्री का उपयोग केवल वहीं करती है जहां इसकी आवश्यकता होती है। Al ऊष्मा अभिगम से अधिक सीधा संबन्ध प्रदान किया गया है; इसलिए परिपथ निर्माण के लिए ऊष्मीय अंतरापृष्ठ सामग्री की आवश्यकता नहीं है। ऊष्मा फैलाने वाली परतों और ऊष्मीय फुटप्रिंट को कम करता है। सामग्रियों की संख्या और उपभोग की गई सामग्रियों की मात्रा के साथ-साथ प्रसंस्करण चरण भी कम हो जाते हैं।
 * आवरणयुक्त एल्यूमिनियम सामग्री प्रणाली - ऊष्मीय अनुयोजकता बढ़ाता है और उच्च परावैद्युत भंजक गुण प्रदान करता है। सामग्री को 600°C से कम तापमान पर जलाया जा सकता है। परिपथ सीधे एल्यूमीनियम सब्सट्रेट्स पर बनाए जाते हैं, जिससे ऊष्मीय अंतरापृष्ठ सामग्री की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। बेहतर ऊष्मीय अनुयोजकता के माध्यम से, एलईडी के समागम तापमान को 10 डिग्री सेल्सियस तक कम किया जा सकता है। यह डिज़ाइनर को प्रत्येक एलईडी की विद्युत् बढ़ाकर या तो बोर्ड पर आवश्यक एलईडी की संख्या कम करने की अनुमति देता है; या आयामी प्रतिबंधों को प्रबंधित करने के लिए कार्यद्रव्य के आकार को कम करें। यह भी सिद्ध है कि एलईडी के समागम तापमान को कम करने से एलईडी के जीवनकाल में प्रभावशाली रूप से सुधार होता है।

पैकेज प्रकार

 * फ्लिप चिप - यह अवधारणा सिलिकॉन एकीकृत परिपथ उद्योग में व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले पैकेज समाकृति में फ्लिप चिप के समान है। संक्षेप में कहें तो, एलईडी डाई को उप-माउंट पर नीचे की ओर इकट्ठा किया जाता है, जो सामान्यतः सिलिकॉन या सिरेमिक होता है, जो ऊष्मा फैलाने वाले और सहायक कार्यद्रव्य के रूप में कार्य करता है। फ्लिप-चिप जोड़ गलनक्रांतिक, हाई-लीड, लेड-फ्री सोल्डर या सोना ठूंठ (इलेक्ट्रॉनिक्स) हो सकता है। प्रकाश का प्राथमिक स्रोत एलईडी चिप के पीछे की ओर से आता है, और सामान्यतः प्रकाश उत्सर्जक और सोल्डर जोड़ों के बीच अंतर्निहित परावर्तक परत होती है जो नीचे की ओर उत्सर्जित प्रकाश को प्रतिबिंबित करती है। कई कंपनियों ने अपने उच्च-विद्युत् एलईडी के लिए फ्लिप-चिप पैकेज को अपनाया है, जिससे इसकी ऊष्मीय विश्वसनीयता बनाए रखते हुए एलईडी के ऊष्मीय प्रतिरोध में लगभग 60% की कमी आई है।

एलईडी फिलामेंट
लैंप की एलईडी फिलामेंट शैली पारदर्शी ग्लास कार्यद्रव्य पर कई अपेक्षाकृत कम-विद्युत् वाले एलईडी को जोड़ती है, जो फॉस्फोर के साथ लेपित होती है, और फिर सिलिकॉन में लपेटी जाती है। लैंप बल्ब अक्रिय गैस से भरा होता है, जो एलईडी की विस्तारित श्रृंखला से ऊष्मा को बल्ब के आवरण तक पहुंचाता है। यह डिज़ाइन बड़े ऊष्मा अभिगम की आवश्यकता से बचाता है।

सक्रिय ऊष्मीय डिजाइन
उच्च विद्युत् एलईडी संचालन के लिए अच्छे ऊष्मीय प्रबंधन का एहसास करने के लिए सक्रिय ऊष्मीय डिज़ाइन का उपयोग करने के बारे में कुछ कार्यों में सम्मिलित हैं:

तापविद्युत् (टीई) उपकरण
छोटे आकार और तेज़ प्रतिक्रिया के कारण उच्च विद्युत् एलईडी के ऊष्मीय प्रबंधन के लिए तापविद्युत् उपकरण आशाजनक उम्मीदवार हैं। दो सिरेमिक प्लेटों द्वारा बनाए गए टीई उपकरण को उच्च विद्युत् एलईडी में एकीकृत किया जा सकता है और ऊष्मा-संचालन और विद्युत प्रवाह आवरण द्वारा एलईडी के तापमान को समायोजित किया जा सकता है। चूंकि सिरेमिक टीई उपकरणों में एलईडी के सिलिकॉन कार्यद्रव्य के साथ ऊष्मीय विस्तार का बेमेल गुणांक होता है, इसलिए पारंपरिक सिरेमिक टीई उपकरणों को प्रतिस्थापित करने के लिए सिलिकॉन-आधारित टीई उपकरणों का आविष्कार किया गया है। एल्यूमीनियम ऑक्साइड (30 W/(m·K)) की तुलना में उच्च तापीय चालकता (149 W/(m·K)) रखने वाला सिलिकॉन भी पारंपरिक सिरेमिक टीई उपकरणों की तुलना में सिलिकॉन-आधारित टीई उपकरणों के शीतलन प्रदर्शन को बेहतर बनाता है।

तापविद्युत् सामग्रियों का शीतलन प्रभाव पेल्टियर प्रभाव पर निर्भर करता है। जब N-प्रकार और P-प्रकार तापविद्युत् इकाइयों से बने परिपथ पर बाहरी धारा लागू की जाती है, तो धारा तापविद्युत् इकाइयों में वाहकों को एक तरफ से दूसरी तरफ जाने के लिए प्रेरित करेगी। जब वाहक चलते हैं, तो ऊष्मा भी वाहकों के साथ एक ओर से दूसरी ओर प्रवाहित होती है। चूंकि ऊष्मा हस्तांतरण की दिशा लागू धारा पर निर्भर करती है, तापविद्युत् सामग्री धाराओं के साथ कूलर के रूप में कार्य कर सकती है जो वाहक को गर्म पक्ष से दूसरी तरफ ले जाती है।

एक विशिष्ट सिलिकॉन-आधारित टीई उपकरण में संपुट संरचना होती है। तापविद्युत् सामग्री उच्च तापीय चालकता सामग्री द्वारा निर्मित दो सब्सट्रेट्स के बीच संपुट होती है। N-प्रकार और P-प्रकार तापविद्युत् इकाइयाँ मध्य परत के रूप में श्रृंखला में क्रमिक रूप से जुड़ी हुई हैं। जब उच्च विद्युत् एलईडी ऊष्मा उत्पन्न करती है, तो ऊष्मा सबसे पहले शीर्ष कार्यद्रव्य के माध्यम से तापविद्युत् इकाइयों में स्थानांतरित होगी। एक लागू बाहरी धारा के साथ, ऊष्मा को तापविद्युत् इकाइयों के माध्यम से निचले कार्यद्रव्य में प्रवाहित करने के लिए मजबूर किया जाएगा जिससे कि उच्च विद्युत् एलईडी का तापमान स्थिर हो सके।

तरल शीतलन प्रणाली
तरल धातु, पानी और धारा जैसे तरल पदार्थों का उपयोग करने वाली शीतलन प्रणालियाँ उच्च विद्युत् एलईडी के तापमान को भी सक्रिय रूप से प्रबंधित करें। तरल शीतलन प्रणालियाँ ड्राइविंग पंप, शीत प्लेट और पंखे-कूल्ड विकिरक से बनी होती हैं। उच्च विद्युत् एलईडी द्वारा उत्पन्न ऊष्मा पहले ठंडी प्लेट के माध्यम से तरल पदार्थों में स्थानांतरित होगी। फिर एक पंप द्वारा संचालित तरल पदार्थ ऊष्मा को अवशोषित करने के लिए प्रणाली में प्रसारित होंगे। अंत में, पंखे से ठंडा विकिरक अगले परिसंचरण के लिए गर्म तरल पदार्थों को ठंडा करेगा। तरल पदार्थों का संचलन उच्च विद्युत् एलईडी के तापमान को नियंत्रित करता है।

यह भी देखें

 * एलईडी लैंप - ठोस राज्य प्रकाश व्यवस्था  (एसएसएल)
 * इलेक्ट्रॉनिक्स में ऊष्मीय प्रतिरोध
 * ऊष्मीय प्रबंधन (इलेक्ट्रॉनिक्स)
 * सक्रिय शीतलन
 * सिंथेटिक जेट

बाहरी संबंध

 * Thermal Management of Cree® XLamp® LEDs
 * LED Thermal Management
 * Thermal management of Osram Soleriq COB LED modules