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 बजाय 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। जंक्शन 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 सब्सट्रेट के साथ उच्च प्रकाश प्रवाह को संयोजित करना चाहते हैं, जिससे एलईडी पावर प्रबंधन के साथ संबंध विशेष रूप से तीव्र हो जाती हैं।

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

यदि ऊष्मीय प्रतिबाधा छोटी है और इसी तरह, कम परिवेश का तापमान है, तो जंक्शन तापमान कम होगा। किसी दिए गए पावर (भौतिकी) अपव्यय के लिए उपयोगी परिवेश तापमान सीमा को अधिकतम करने के लिए, जंक्शन 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, आरJC एलईडी निर्माता के आधार पर, 2.6°C/W से 18°C/W तक होगा। ऊष्मीय इंटरफ़ेस सामग्री (टीआईएम) ऊष्मीय प्रतिरोध भी चयनित सामग्री के प्रकार के आधार पर भिन्न होगा। सामान्य टीआईएम epoxy, ऊष्मीय ग्रीस, दबाव-संवेदनशील चिपकने वाला और सोल्डर हैं। पावर एलईडी अक्सर मेटल-कोर प्रिंटेड सर्किट बोर्ड (एमसीपीसीबी) पर लगाए जाते हैं, जो हीट सिंक से जुड़े होंगे। एमसीपीसीबी और हीट सिंक के माध्यम से संचालित ऊष्मा संवहन और विकिरण द्वारा नष्ट हो जाती है। पैकेज डिजाइन में, प्रत्येक घटक की सतह की समतलता और गुणवत्ता, लागू बढ़ते दबाव, संपर्क क्षेत्र, इंटरफ़ेस 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 शामिल हैं:

चिपकने वाला
चिपकने वाला एक तापीय प्रवाहकीय इंटरफ़ेस परत है, जिसका उपयोग आमतौर पर एलईडी और बोर्ड, और बोर्ड और हीट सिंक को जोड़ने और ऊष्मीय प्रदर्शन को और अनुकूलित करने के लिए किया जाता है। वर्तमान वाणिज्यिक चिपकने वाला अपेक्षाकृत कम तापीय चालकता ~1 W/(mK) द्वारा सीमित है।

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

वेग पाइप और वाष्प कक्ष
हीट पाइप और हीट पाइप # 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 हीट सिंक तक पहुंचाएं
 * एक प्राकृतिक संवहन हीट सिंक को आइसोथर्मलाइज़ करें, जिससे इसकी दक्षता बढ़ती है और इसका आकार कम होता है। एक मामले में, पांच हीट पाइप जोड़ने से हीट सिंक का द्रव्यमान 34% कम हो गया, 4.4 किलोग्राम से 2.9 किलोग्राम तक।
 * 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 सर्किट बोर्ड)

 * एमसीपीसीबी - एमसीपीसीबी (मेटल कोर प्रिंटेड सर्किट बोर्ड) वे बोर्ड हैं जो सर्किट बोर्ड के अभिन्न अंग के रूप में बेस मेटल सामग्री को हीट स्प्रेडर के रूप में शामिल करते हैं। धातु कोर आमतौर पर एल्यूमीनियम मिश्र धातु से बना होता है। इसके अलावा एमसीपीसीबी कम तापीय प्रतिरोध के लिए उच्च तापीय चालकता के साथ एक ढांकता हुआ बहुलक परत को शामिल करने का लाभ उठा सकता है।
 * पृथक्करण - एलईडी ड्राइव सर्किटरी को एलईडी बोर्ड से अलग करने से ड्राइवर द्वारा उत्पन्न ऊष्मा को एलईडी जंक्शन तापमान बढ़ाने से रोका जाता है।

मोटी-फिल्म सामग्री प्रणाली

 * योजक प्रक्रिया - मोटी फिल्म एक चयनात्मक योजक जमाव प्रक्रिया है जो सामग्री का उपयोग केवल वहीं करती है जहां इसकी आवश्यकता होती है। अल हीट सिंक से अधिक सीधा कनेक्शन प्रदान किया गया है; इसलिए सर्किट निर्माण के लिए ऊष्मीय इंटरफ़ेस 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।
 * इंसुलेटेड एल्युमीनियम मटेरियल सिस्टम - ऊष्मीय कनेक्टिविटी बढ़ाता है और उच्च ढांकता हुआ ब्रेकडाउन ताकत प्रदान करता है। सामग्री को 600°C से कम तापमान पर जलाया जा सकता है। सर्किट सीधे एल्यूमीनियम सब्सट्रेट्स पर बनाए जाते हैं, जिससे ऊष्मीय इंटरफ़ेस सामग्री की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। बेहतर ऊष्मीय कनेक्टिविटी के माध्यम से, एलईडी के जंक्शन 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 सब्सट्रेट के आकार को कम करें। यह भी सिद्ध है कि एलईडी के जंक्शन तापमान को कम करने से एलईडी के जीवनकाल में नाटकीय रूप से सुधार होता है।

पैकेज प्रकार

 * फ्लिप चिप - यह अवधारणा सिलिकॉन एकीकृत सर्किट उद्योग में व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले पैकेज कॉन्फ़िगरेशन में पलटें काटना  के समान है। संक्षेप में कहें तो, एलईडी डाई को उप-माउंट पर नीचे की ओर इकट्ठा किया जाता है, जो आमतौर पर सिलिकॉन या सिरेमिक होता है, जो ऊष्मा फैलाने वाले और सहायक सब्सट्रेट के रूप में कार्य करता है। फ्लिप-चिप जोड़  गलनक्रांतिक, हाई- नेतृत्व करना , लेड-फ्री सोल्डर या  सोना   ठूंठ (इलेक्ट्रॉनिक्स)  हो सकता है। प्रकाश का प्राथमिक स्रोत एलईडी चिप के पीछे की ओर से आता है, और आमतौर पर प्रकाश उत्सर्जक और सोल्डर जोड़ों के बीच एक 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 एक पारदर्शी ग्लास सब्सट्रेट 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 हीट सिंक 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 शामिल हैं:

थर्मोइलेक्ट्रिक (टीई) डिवाइस
छोटे आकार और तेज़ प्रतिक्रिया के कारण उच्च विद्युत् एलईडी के ऊष्मीय प्रबंधन के लिए थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरण एक आशाजनक उम्मीदवार हैं। दो सिरेमिक प्लेटों द्वारा बनाए गए एक टीई उपकरण को एक उच्च विद्युत् एलईडी में एकीकृत किया जा सकता है और ऊष्मा-संचालन और विद्युत प्रवाह इन्सुलेशन द्वारा एलईडी के तापमान को समायोजित किया जा सकता है। चूंकि सिरेमिक टीई उपकरणों में एलईडी के सिलिकॉन सब्सट्रेट 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 TE उपकरणों की तुलना में सिलिकॉन-आधारित TE उपकरणों के शीतलन प्रदर्शन को बेहतर बनाता है।

थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों का शीतलन प्रभाव पेल्टियर प्रभाव पर निर्भर करता है। जब एन-प्रकार और पी-प्रकार थर्मोइलेक्ट्रिक इकाइयों से बने सर्किट पर बाहरी धारा लागू की जाती है, तो धारा थर्मोइलेक्ट्रिक 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, थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री धाराओं के साथ एक कूलर के रूप में कार्य कर सकती है जो वाहक को गर्म पक्ष से दूसरी तरफ ले जाती है।

एक विशिष्ट सिलिकॉन-आधारित टीई डिवाइस में एक सैंडविच संरचना होती है। थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री उच्च तापीय चालकता सामग्री द्वारा निर्मित दो सब्सट्रेट्स के बीच सैंडविच होती है। एन-प्रकार और पी-प्रकार थर्मोइलेक्ट्रिक इकाइयाँ मध्य परत के रूप में श्रृंखला में क्रमिक रूप से जुड़ी हुई हैं। जब एक उच्च विद्युत् एलईडी ऊष्मा उत्पन्न करती है, तो ऊष्मा सबसे पहले शीर्ष सब्सट्रेट के माध्यम से थर्मोइलेक्ट्रिक इकाइयों में स्थानांतरित होगी। एक लागू बाहरी धारा के साथ, ऊष्मा को थर्मोइलेक्ट्रिक इकाइयों के माध्यम से निचले सब्सट्रेट में प्रवाहित करने के लिए मजबूर किया जाएगा ताकि 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 एक ड्राइविंग पंप, एक कोल्ड प्लेट और एक पंखे-कूल्ड रेडिएटर 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 सिस्टम में प्रसारित होंगे। अंत में, एक पंखे से ठंडा रेडिएटर 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