Podłoża metalowe (IMS): 'Zbawiciel ciepła' dla diod LED

TREŚĆ​

• Kluczowe wnioski​
• Krytyczna potrzeba wydajnego rozpraszania ciepła w diodach LED​
• Co to są podłoża metalowo-rdzeniowe (IMS)?​
• Cechy techniczne i mechanizmy przenoszenia ciepła w IMS​
• IMS vs. tradycyjne PCB: Analiza porównawcza​
• Realne zastosowania IMS w diodach LED i modułach zasilania​
• Wiodący producenci i zastosowanie w branży​
• Wyzwania i przyszłe kierunki rozwoju​
• FAQ​

Kluczowe wnioski​

   1. Podłoża metalowo-rdzeniowe (IMS) są niezbędne w zastosowaniach diod LED dużej mocy, zapewniając 5 do 10 razy wyższą wydajność rozpraszania ciepła w porównaniu z tradycyjnymi płytkami PCB FR4.​
   2. IMS na bazie aluminium i miedzi są najczęściej spotykanymi typami, wykorzystującymi warstwy izolacyjne z wypełniaczami ceramicznymi do efektywnego przenoszenia ciepła.​
   3. IMS odgrywa kluczową rolę w takich zastosowaniach, jak reflektory LED i moduły zasilania do ładowania pojazdów elektrycznych, zapewniając niezawodność i trwałość komponentów.​

Krytyczna potrzeba wydajnego rozpraszania ciepła w diodach LED​

W dziedzinie nowoczesnego oświetlenia i elektroniki mocy, diody elektroluminescencyjne (LED) zrewolucjonizowały branżę dzięki swojej energooszczędności i długiej żywotności. Jednak w miarę jak technologia LED rozwija się w kierunku wyższych mocy wyjściowych dla takich zastosowań, jak reflektory samochodowe i oświetlenie przemysłowe, zarządzanie ciepłem staje się krytycznym wyzwaniem. Nadmierne ciepło może znacznie obniżyć wydajność diod LED, zmniejszyć skuteczność świetlną i skrócić ich żywotność. Podobnie, w urządzeniach elektronicznych dużej mocy, takich jak moduły zasilania do ładowania pojazdów elektrycznych (EV), wydajne rozpraszanie ciepła jest niezbędne, aby zapobiec awariom komponentów i zapewnić bezpieczną eksploatację. Właśnie tutaj podłoża metalowo-rdzeniowe (IMS) wkraczają jako ostateczny "zbawiciel ciepła".​

Co to są podłoża metalowo-rdzeniowe (IMS)?​

Podłoża metalowo-rdzeniowe to specjalistyczne materiały do obwodów drukowanych, zaprojektowane w celu zwiększenia rozpraszania ciepła. Dwa główne typy to IMS na bazie aluminium i miedzi. Podłoża te składają się z trzech głównych warstw: metalowej podstawy (aluminium lub miedź), warstwy izolacyjnej i górnej warstwy miedzi dla ścieżek obwodów. Metalowa podstawa służy jako radiator, podczas gdy warstwa izolacyjna, często wypełniona materiałami ceramicznymi, zapewnia izolację elektryczną między metalową podstawą a ścieżkami obwodów. Ta unikalna struktura umożliwia efektywne przenoszenie ciepła z elementów generujących ciepło, takich jak diody LED lub półprzewodniki mocy, do otaczającego środowiska.​

Cechy techniczne i mechanizmy przenoszenia ciepła w IMS​

Skład materiału​
     1. Metalowa podstawa: Aluminium jest najczęściej stosowanym metalem ze względu na dobrą przewodność cieplną (około 200-240 W/m·K), lekkość i opłacalność. Miedź z drugiej strony oferuje jeszcze wyższą przewodność cieplną (400 W/m·K), co sprawia, że nadaje się do zastosowań z ekstremalnie wysokimi obciążeniami cieplnymi, chociaż jest droższa i cięższa.​
    2. Warstwa izolacyjna: Warstwa izolacyjna jest zwykle wykonana z matrycy polimerowej wypełnionej cząstkami ceramicznymi, takimi jak tlenek glinu lub azotek glinu. Te wypełniacze ceramiczne zwiększają przewodność cieplną warstwy izolacyjnej, zachowując jednocześnie właściwości izolacji elektrycznej.​

Proces przenoszenia ciepła​

Kiedy ciepło jest generowane przez elementy zamontowane na IMS, najpierw przewodzi przez górną warstwę miedzi do warstwy izolacyjnej. Warstwa izolacyjna wypełniona ceramiką następnie przenosi ciepło do metalowej podstawy. Wreszcie, metalowa podstawa rozprasza ciepło do otaczającego powietrza poprzez konwekcję i promieniowanie. Ten wielowarstwowy mechanizm przenoszenia ciepła zapewnia szybkie usuwanie ciepła z komponentów, utrzymując ich temperatury robocze w bezpiecznych granicach.​

IMS vs. tradycyjne PCB: Analiza porównawcza

Realne zastosowania IMS w diodach LED i modułach zasilania​

Reflektory LED​
    W reflektorach LED w samochodach, IMS jest szeroko stosowany do zarządzania ciepłem generowanym przez matryce diod LED dużej mocy. Na przykład, w nowoczesnych luksusowych samochodach, reflektory LED wymagają wydajnego rozpraszania ciepła, aby utrzymać stałą jasność i zapobiec przedwczesnym awariom. IMS na bazie aluminium zapewnia skuteczne rozwiązanie, zapewniając, że diody LED mogą pracować nieprzerwanie przez długie godziny bez przegrzewania.​

Moduły zasilania do ładowania pojazdów elektrycznych​
    Stacje ładowania EV, zwłaszcza ładowarki dużej mocy, polegają na IMS w swoich modułach zasilania. Moduły zasilania ładowarki pokładowej (OBC) Tesli wykorzystują IMS do rozpraszania ciepła generowanego podczas procesu ładowania. Wysoka przewodność cieplna IMS pomaga w utrzymaniu niezawodności półprzewodników mocy, takich jak IGBT (tranzystory bipolarne z izolowaną bramką), które są kluczowe dla wydajnej konwersji mocy w ładowarkach EV.​

Wiodący producenci i zastosowanie w branży​

    Kilku producentów jest w czołówce produkcji wysokiej jakości IMS. Firmy takie jak Isola, TUC i Shengyi Technology oferują gamę produktów IMS o różnych specyfikacjach, aby spełnić różne wymagania aplikacyjne. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na energooszczędne oświetlenie i elektronikę dużej mocy, zastosowanie IMS gwałtownie rośnie w różnych branżach.​

Wyzwania i przyszłe kierunki rozwoju​
   1. Koszt: Stosunkowo wysoki koszt IMS w porównaniu z tradycyjnymi PCB pozostaje wyzwaniem, zwłaszcza w przypadku zastosowań wrażliwych na koszty. Jednak w miarę wzrostu wolumenu produkcji i ulepszania procesów produkcyjnych, oczekuje się obniżenia kosztów.​
   2. Złożoność projektu: Projektowanie z IMS wymaga starannego rozważenia zarządzania termicznego i izolacji elektrycznej. Inżynierowie muszą zoptymalizować układ, aby zapewnić maksymalne rozpraszanie ciepła i zapobiec zakłóceniom elektrycznym.​
   3. Przyszłe trendy: Trwają badania nad opracowaniem IMS o jeszcze wyższej przewodności cieplnej i lepszych właściwościach izolacji elektrycznej. Dodatkowo, integracja IMS z innymi zaawansowanymi technologiami chłodzenia, takimi jak chłodzenie cieczą, może dodatkowo zwiększyć możliwości rozpraszania ciepła.​

FAQ​
Dlaczego IMS jest lepszy niż tradycyjne PCB w zastosowaniach LED?​
IMS oferuje znacznie wyższą wydajność rozpraszania ciepła, co jest niezbędne dla diod LED dużej mocy. Tradycyjne PCB nie mogą skutecznie usuwać ciepła generowanego przez diody LED dużej mocy, co prowadzi do pogorszenia wydajności i skrócenia żywotności.​
Czy IMS może być stosowany w zastosowaniach niskiej mocy?​
Chociaż IMS jest przeznaczony głównie do zastosowań dużej mocy, może być również stosowany w zastosowaniach niskiej mocy, w których pożądane jest lepsze zarządzanie ciepłem. Jednak opłacalność może być czynnikiem do rozważenia w scenariuszach niskiej mocy.​
Jak wybór między IMS aluminiowym a miedzianym zależy od zastosowania?​
IMS aluminiowe nadają się do większości ogólnych zastosowań dużej mocy ze względu na dobrą przewodność cieplną, lekkość i opłacalność. IMS miedziane są preferowane w zastosowaniach z ekstremalnie wysokimi obciążeniami cieplnymi, takich jak zasilacze serwerów wysokiej klasy lub elektronika lotnicza, gdzie ich doskonała przewodność cieplna może mieć znaczący wpływ.​

Podłoża metalowo-rdzeniowe (IMS) okazały się niezbędne w świecie diod LED dużej mocy i elektroniki mocy. Ich zdolność do wydajnego rozpraszania ciepła sprawia, że są "zbawcą ciepła" w zastosowaniach, w których niezawodna wydajność i trwałość komponentów są kluczowe. W miarę jak technologia wciąż ewoluuje, IMS prawdopodobnie odegra jeszcze bardziej znaczącą rolę w napędzaniu innowacji w oświetleniu i zarządzaniu energią.