زیربناهای هسته فلزی (IMS): "نجات دهنده گرما" برای LED ها

فهرست مطالب​

• نکات کلیدی​
• نیاز حیاتی به اتلاف گرمای کارآمد در LED ها​
• زیرلایه های هسته فلزی (IMS) چیستند؟​
• ویژگی های فنی و مکانیسم های انتقال حرارت IMS​
• IMS در مقابل PCB های سنتی: یک تحلیل مقایسه ای​
• کاربردهای دنیای واقعی IMS در LED ها و ماژول های قدرت​
• تولیدکنندگان پیشرو و پذیرش صنعت​
• چالش ها و پیشرفت های آینده​
• سؤالات متداول​

نکات کلیدی​

   1. زیرلایه های هسته فلزی (IMS) برای کاربردهای LED با توان بالا ضروری هستند و 5 تا 10 برابر راندمان اتلاف حرارت بالاتری نسبت به PCB های FR4 سنتی ارائه می دهند.​
   2. IMS های مبتنی بر آلومینیوم و مس رایج ترین انواع هستند که از لایه های عایق با پرکننده های سرامیکی برای انتقال موثر گرما استفاده می کنند.​
   3. IMS نقش مهمی در کاربردهایی مانند چراغ های جلوی LED و ماژول های قدرت شارژ وسایل نقلیه الکتریکی ایفا می کند و از قابلیت اطمینان و طول عمر اجزا اطمینان حاصل می کند.​

نیاز حیاتی به اتلاف گرمای کارآمد در LED ها​

در قلمرو روشنایی مدرن و الکترونیک قدرت، دیودهای ساطع کننده نور (LED) صنعت را با راندمان انرژی و طول عمر طولانی خود متحول کرده اند. با این حال، با پیشرفت فناوری LED به سمت توان خروجی بالاتر برای کاربردهایی مانند چراغ های جلوی خودرو و روشنایی صنعتی، مدیریت حرارت به یک چالش حیاتی تبدیل می شود. گرمای بیش از حد می تواند به طور قابل توجهی عملکرد LED را کاهش دهد، راندمان نوری را کاهش دهد و عمر عملیاتی آنها را کوتاه کند. به طور مشابه، در دستگاه های الکترونیکی با توان بالا مانند ماژول های قدرت شارژ وسایل نقلیه الکتریکی (EV)، اتلاف حرارت کارآمد برای جلوگیری از خرابی اجزا و اطمینان از عملکرد ایمن ضروری است. اینجاست که زیرلایه های هسته فلزی (IMS) به عنوان "نجات دهنده گرما" وارد عمل می شوند.​

زیرلایه های هسته فلزی (IMS) چیستند؟​

زیرلایه های هسته فلزی مواد مدار چاپی تخصصی هستند که برای افزایش اتلاف حرارت طراحی شده اند. دو نوع اصلی، IMS های مبتنی بر آلومینیوم و مس هستند. این زیرلایه ها از سه لایه اصلی تشکیل شده اند: یک پایه فلزی (آلومینیوم یا مس)، یک لایه عایق و یک لایه مسی بالایی برای ردیابی مدار. پایه فلزی به عنوان یک هیت سینک عمل می کند، در حالی که لایه عایق که اغلب با مواد سرامیکی پر می شود، عایق الکتریکی بین پایه فلزی و ردیابی مدار را فراهم می کند. این ساختار منحصر به فرد امکان انتقال حرارت کارآمد از اجزای تولید کننده گرما، مانند LED ها یا نیمه هادی های قدرت، به محیط اطراف را فراهم می کند.​

ویژگی های فنی و مکانیسم های انتقال حرارت IMS​

ترکیب مواد​
     1. پایه فلزی: آلومینیوم به دلیل هدایت حرارتی خوب (حدود 200 - 240 W/m·K)، وزن سبک و مقرون به صرفه بودن، رایج ترین فلز مورد استفاده است. از سوی دیگر، مس حتی هدایت حرارتی بالاتری (400 W/m·K) ارائه می دهد و آن را برای کاربردهایی با بارهای حرارتی بسیار بالا مناسب می کند، اگرچه گران تر و سنگین تر است.​
    2. لایه عایق: لایه عایق معمولاً از یک ماتریس پلیمری پر شده با ذرات سرامیکی مانند اکسید آلومینیوم یا نیترید آلومینیوم ساخته می شود. این پرکننده های سرامیکی هدایت حرارتی لایه عایق را افزایش می دهند و در عین حال خواص عایق الکتریکی را حفظ می کنند.​

فرآیند انتقال حرارت​

هنگامی که گرما توسط اجزای نصب شده بر روی IMS تولید می شود، ابتدا از طریق لایه مسی بالایی به لایه عایق هدایت می شود. سپس لایه عایق پر شده با سرامیک، گرما را به پایه فلزی منتقل می کند. در نهایت، پایه فلزی گرما را از طریق همرفت و تابش به هوای اطراف منتقل می کند. این مکانیسم انتقال حرارت چند لایه تضمین می کند که گرما به سرعت از اجزا خارج می شود و دمای عملکرد آنها را در محدوده ایمن نگه می دارد.​

IMS در مقابل PCB های سنتی: یک تحلیل مقایسه ای

کاربردهای دنیای واقعی IMS در LED ها و ماژول های قدرت​

چراغ های جلوی LED​
    در چراغ های جلوی LED خودرو، IMS به طور گسترده ای برای مدیریت گرمای تولید شده توسط آرایه های LED با توان بالا استفاده می شود. به عنوان مثال، در خودروهای لوکس مدرن، چراغ های جلوی LED به اتلاف حرارت کارآمد برای حفظ روشنایی ثابت و جلوگیری از خرابی زودرس نیاز دارند. IMS مبتنی بر آلومینیوم یک راه حل موثر ارائه می دهد و اطمینان حاصل می کند که LED ها می توانند به طور مداوم برای ساعت های طولانی بدون گرم شدن بیش از حد کار کنند.​

ماژول های قدرت شارژ وسایل نقلیه الکتریکی​
    ایستگاه های شارژ EV، به ویژه شارژرهای با توان بالا، برای ماژول های قدرت خود به IMS متکی هستند. ماژول های قدرت شارژر داخلی (OBC) تسلا از IMS برای اتلاف گرمای تولید شده در طول فرآیند شارژ استفاده می کنند. هدایت حرارتی بالای IMS به حفظ قابلیت اطمینان نیمه هادی های قدرت، مانند IGBT ها (ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق شده)، که برای تبدیل توان کارآمد در شارژرهای EV حیاتی هستند، کمک می کند.​

تولیدکنندگان پیشرو و پذیرش صنعت​

    چندین تولید کننده در خط مقدم تولید IMS با کیفیت بالا قرار دارند. شرکت هایی مانند Isola، TUC و Shengyi Technology طیف وسیعی از محصولات IMS را با مشخصات مختلف برای پاسخگویی به نیازهای مختلف کاربردی ارائه می دهند. با ادامه رشد تقاضا برای روشنایی کم مصرف و الکترونیک با توان بالا، پذیرش IMS در سراسر صنایع به سرعت در حال افزایش است.​

چالش ها و پیشرفت های آینده​
   1. هزینه: هزینه نسبتاً بالای IMS در مقایسه با PCB های سنتی همچنان یک چالش است، به ویژه برای کاربردهای حساس به هزینه. با این حال، با افزایش حجم تولید و بهبود فرآیندهای تولید، انتظار می رود هزینه ها کاهش یابد.​
   2. پیچیدگی طراحی: طراحی با IMS نیاز به بررسی دقیق مدیریت حرارتی و عایق الکتریکی دارد. مهندسان باید طرح را بهینه کنند تا از حداکثر اتلاف حرارت اطمینان حاصل شود و از تداخل الکتریکی جلوگیری شود.​
   3. روندهای آینده: تحقیقات برای توسعه IMS با هدایت حرارتی بالاتر و خواص عایق الکتریکی بهتر ادامه دارد. علاوه بر این، ادغام IMS با سایر فناوری های خنک کننده پیشرفته، مانند خنک کننده مایع، ممکن است قابلیت های اتلاف حرارت را بیشتر افزایش دهد.​

سؤالات متداول​
چرا IMS برای کاربردهای LED بهتر از PCB های سنتی است؟​
IMS راندمان اتلاف حرارت بسیار بالاتری را ارائه می دهد که برای LED های با توان بالا ضروری است. PCB های سنتی نمی توانند به طور موثر گرمای تولید شده توسط LED های با توان بالا را حذف کنند و منجر به کاهش عملکرد و کاهش طول عمر می شوند.​
آیا می توان از IMS در کاربردهای کم مصرف استفاده کرد؟​
در حالی که IMS عمدتاً برای کاربردهای با توان بالا طراحی شده است، می توان از آن در کاربردهای کم مصرف که در آن مدیریت حرارت بهتر مورد نظر است نیز استفاده کرد. با این حال، مقرون به صرفه بودن ممکن است عاملی باشد که باید برای سناریوهای کم مصرف در نظر گرفته شود.​
چگونه انتخاب بین IMS آلومینیومی و مسی به کاربرد بستگی دارد؟​
IMS آلومینیومی به دلیل هدایت حرارتی خوب، وزن سبک و مقرون به صرفه بودن، برای اکثر کاربردهای عمومی با توان بالا مناسب است. IMS مسی برای کاربردهایی با بارهای حرارتی بسیار بالا، مانند منبع تغذیه سرورهای رده بالا یا الکترونیک هوافضا، که در آن هدایت حرارتی برتر آن می تواند تفاوت قابل توجهی ایجاد کند، ترجیح داده می شود.​

زیرلایه های هسته فلزی (IMS) ثابت کرده اند که در دنیای LED های با توان بالا و الکترونیک قدرت ضروری هستند. توانایی آنها در اتلاف کارآمد گرما، آنها را به "نجات دهنده گرما" برای کاربردهایی تبدیل می کند که در آن عملکرد قابل اعتماد و طول عمر اجزا حیاتی است. با ادامه تکامل فناوری، IMS احتمالاً نقش مهم تری در پیشبرد نوآوری در روشنایی و مدیریت انرژی ایفا خواهد کرد.