مقاييس تبديد حرارة شرائط COB LED لتركيبات الصيف في مصر

نختبر غالبًا شرائط LED ضد الحرارة الشديدة لضمان بقائهم على قيد الحياة في مناخات قاسية مثل أستراليا ¹, مع العلم أن ارتفاع درجة الحرارة يؤدي إلى فشل سريع.

يجب أن تعطي أولوية لموصلية الحرارة في لوحة الدوائر المطبوعة (هدف إلى ركائز الألمنيوم >190 واط/متر كيلفن)، ووزن النحاس (حد أدنى 2 أونصة أو 3 أونصات)، وكثافة الواط. والأهم من ذلك، التحقق من أقصى فرق في درجة حرارة الوصلة (Tj) عند درجة حرارة محيط 45°C لمنع تدهور سريع للضوء وضمان أن التصفيح اللاصق مصنف لتحمل دورات حرارة عالية.

دعونا نحلل المقاييس الفنية المحددة التي تحتاج إلى فحصها قبل التثبيت.

هل يؤثر عرض لوحة الدوائر المطبوعة ووزن النحاس بشكل كبير على إدارة الحرارة لشرائط COB ذات الكثافة العالية؟

عندما نقوم بتصميم شرائط ذات كثافة عالية، نلاحظ أن اللوحات الضيقة تحتجز الحرارة، مما يسبب تلاشي مبكر في البيئات الحارة إذا كان طبقة النحاس رقيقة جدًا.

نعم، عرض لوحة الدوائر المطبوعة ووزن النحاس مهمان جدًا. زيادة عرض لوحة الدوائر المطبوعة (10 مم+) يزيد من مساحة السطح لنقل الحرارة، بينما يوزع النحاس الأثقل (3 أونصات مقابل 2 أونصة) الحرارة بشكل أفقي، مما يمنع النقاط الساخنة. هذا المزيج يقلل بشكل كبير من درجة حرارة الوصلة، مما يضمن الاستقرار حتى عندما ترتفع درجات الحرارة المحيطة.

عندما نقوم بتحليل معدلات فشل شرائط LED في المناطق ذات الحرارة العالية، فإن السبب المتكرر هو التصميم الفيزيائي لـ لوحة الدوائر المطبوعة ² (لوحة الدوائر المطبوعة). في سياق تقنية Chip-on-Board (COB)، حيث يتم ضغط مئات الرقائق معًا بكثافة، تعمل لوحة الدوائر المطبوعة كطريق رئيسي لخروج الحرارة من شرائح LED الحساسة. إذا كان هذا الطريق ضيقًا جدًا أو يفتقر إلى مسارات كافية (سمك النحاس)، تحدث ازدحامات مرورية—على شكل نقاط حرارية.

فيزياء وزن النحاس

النحاس موصل حراري ممتاز، لكن فعاليته تعتمد على الكتلة. في صناعة LED، نقيس سمك النحاس بالأونصات (oz). غالبًا ما تستخدم الشرائط القياسية نحاسًا بسمك 1 أونصة، وهو كافٍ لإضاءة تزيينية منخفضة الطاقة في غرف مكيفة الهواء. ومع ذلك، للسوق المصرية، حيث يمكن أن تصل درجات الحرارة المحيطة إلى 45°C، غالبًا ما يكون 1 أونصة غير كافٍ.

تُظهر بيانات هندستنا أن الترقية من 2 أونصة إلى 3 أونصات من النحاس يمكن أن تقلل من درجة حرارة التشغيل للشرائط بعدة درجات. قد يبدو الأمر صغيرًا، لكن في عالم تدهور أشباه الموصلات الأسي، كل درجة مهمة. يسمح سمك النحاس الأثقل بتوزيع الحرارة بشكل أفقي عبر طول الشريط بدلاً من تركيزها مباشرة تحت الرقائق. هذا الانتشار الأفقي ضروري قبل أن تنتقل الحرارة عموديًا إلى الملف الألمنيوم.

العرض يساوي مساحة السطح

عرض لوحة الدوائر المطبوعة مهم أيضًا. لوحة ضيقة 5 مم أو 8 مم لديها مساحة سطح أقل لنقل الحرارة إلى سطح التركيب. في تطوير منتجاتنا، نوصي بشدة بعرض أدنى 10 مم لأي شريط COB عالي الكثافة مخصص للمناخات الدافئة. يضاعف العرض الأوسع من مساحة الاتصال مع القناة الألمنيوم، مما يسهل تبادل الحرارة بسرعة أكبر.

تفكير نقدي: المقايضة

ومع ذلك، فإن زيادة وزن النحاس ببساطة ليست حلاً سحريًا. النحاس الأثقل يجعل الشريط أقل مرونة ويصعب تركيبه حول الزوايا الضيقة. كما أنه يزيد من التكلفة. لذلك، يجب أن توازن بين الحاجة إلى إدارة الحرارة ومتطلبات التثبيت. للخطوط المستقيمة في البرجولات الخارجية أو المظلات، أعطِ الأولوية لأثقل نحاس وأعرض لوحة الدوائر المطبوعة المتاحة.

وزن النحاس مقابل كفاءة تبديد الحرارة

كيف يمكنني التحقق مما إذا كانت خلفية اللاصق يمكنها تحمل درجات حرارة عالية محيطية دون أن تتقشر؟

نتلقى غالبًا تقارير عن انفصال الشرائط في المناخات الحارة لأن الأشرطة القياسية تفشل عندما يلين اللاصق تحت أشعة الشمس الأسترالية الشديدة.

تحقق من تصنيف الحرارة لللاصق في ورقة البيانات، وابحث عن أشرطة ذات رابطة عالية مثل 3M VHB أو TESA المصنفة لدرجات حرارة فوق 80°C. تفقد اللاصقات القياسية لزوجتها عند درجات حرارة عالية، لذا اطلب تقارير اختبار قوة التقشير التي أُجريت خصيصًا عند درجات حرارة مرتفعة لضمان الالتصاق طويل الأمد.

غالبًا ما يكون خلفية اللاصق هو المكون الأكثر إهمالًا في شريط LED، ومع ذلك هو نقطة الفشل الأكثر شيوعًا في البيئات الحارة. عندما نشتري المواد الخام، نلاحظ فرقًا كبيرًا في الجودة بين لواصق "الشريط الأحمر" العامة والعوامل الصناعية الأصلية. في الصيف الأسترالي، يمكن أن تتجاوز درجة حرارة سطح ملف الألمنيوم المثبت تحت الشرفة أو بالقرب من النافذة بسهولة 60°C أو 70°C. عند هذه الدرجات، يمر اللاصق القياسي بتغير في الحالة، ويصبح لزجًا ويفقد قبضة الالتصاق.

كيمياء الحرارة والغراء

معظم لاصقات حساسة للضغط (PSAs) المستخدمة على شرائط LED تعتمد على الأكريليك. على الرغم من أن الأكريليك عادةً متين، إلا أن لزوجته تعتمد على درجة الحرارة. اللواصق الرديئة لها درجة انتقال زجاج منخفضة. بمجرد أن تتجاوز الحرارة المحيطة هذا الحد، تتراخى الروابط الجزيئية. ثم تتولى الجاذبية الأمر، ويبدأ الشريط في الترهل. هذه ليست مشكلة جمالية فقط؛ عندما ينفصل الشريط عن ملفه الألمنيوم، يفقد مبرد الحرارة الخاص به. ثم تتعرض شرائح LED لارتفاع درجة الحرارة بسرعة وتتلف.

عدم تطابق معامل التمدد الحراري (CTE)

عامل آخر نراقبه هو معامل التمدد الحراري (CTE). يتمدد شريط LED (النحاس والسيليكون) بمعدل مختلف عن الملف الألمنيوم الذي يلصق به. في مناخ يتغير فيه درجة الحرارة بشكل كبير—مثل يوم تصل درجة حرارته إلى 40°C وتنخفض ليلاً إلى 20°C—يخلق هذا التمدد التفريقي إجهاد قصي على طول خط اللصق. على مدى آلاف الدورات، سيتعب اللصق الضعيف ويتفكك.

التحقق من ورقة البيانات

لا تقبل ببساطة أن يكون "شريط 3M" كمواصفة. تصنع شركة 3M مئات الأنواع من الأشرطة. عليك البحث عن رموز السلسلة المحددة. على سبيل المثال، سلسلة 300LSE ممتازة للبلاستيك منخفض الطاقة السطحي، لكنها قد لا تكون الأفضل للربط المعدني عالي الحرارة مقارنة بسلسلة VHB (رباط عالي جدًا). نوصي بطلب ورقة البيانات الخاصة بالشريط المستخدم من المورد، وليس فقط شريط LED.

أنواع اللصق الشائعة وحدود درجات الحرارة

ما درجة الحرارة القصوى للتشغيل التي يجب أن أبحث عنها في ورقة البيانات للتركيبات الخارجية؟

تُظهر اختبارات مختبرنا أن الأشرطة القياسية المصنفة للمناخ المعتدل تتدهور غالبًا بسرعة عند تعرضها لحرارة الشمس المباشرة والمقاومة الكهربائية.

ابحث عن درجة حرارة تشغيل قصوى (Ta) لا تقل عن 60°C، ويفضل أن تكون 80°C للتعرض المباشر للشمس. هذا المجال الإضافي يأخذ في الاعتبار ارتفاع الحرارة الداخلي (Delta T) المضاف إلى حرارة الصيف الأسترالية 45°C، للحفاظ على درجة حرارة وصلة LED ضمن الحدود الآمنة.

رقاقة LED زرقاء ³

قراءة ورقة بيانات LED تتطلب عينًا نقدية، خاصة فيما يتعلق بتصنيفات درجة الحرارة. غالبًا ما يكون هناك لبس بين درجة الحرارة المحيطة (Ta)،, درجة حرارة التشغيل و درجة حرارة الوصلة (Tj). عندما نصمم منتجًا للتصدير إلى مناخات حارة، نحسب الميزانية الحرارية بناءً على أسوأ سيناريو ممكن.
طلاء الفوسفور الأصفر ⁴

فهم الطبقة الحرارية

تخيل يوم حار في مصر. درجة حرارة الهواء (Ta) هي 45°C. ومع ذلك، يمكن أن يكون الهواء داخل قناة الألمنيوم المغلقة أو تحت حافة داكنة أكثر سخونة بشكل كبير، ربما 55°C. الآن، قم بتشغيل شريط LED. المقاومة الكهربائية تولد حرارة داخلية. هذا يخلق فرق درجة حرارة (Delta T) فوق البيئة المحيطة.

إذا رفع شريط COB عالي القدرة درجة حرارته بمقدار 30°C أثناء التشغيل، وكان الهواء المحيط 55°C، فإن درجة الحرارة الفعلية عند مستوى لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) هي 85°C. إذا ذكرت ورقة البيانات الخاصة بالمصنع أن الحد الأقصى لدرجة الحرارة التشغيلية هو فقط 60°C، فهذا المنتج مقدر أن يفشل. أنت بحاجة إلى هامش أمان.
المعيار الصناعي هو L70 ⁵

عامل الحمل الشمسي

ننصح العملاء أيضًا بمراعاة "عبء الشمس". إذا كانت التركيب في الهواء الطلق ومعرضًا لأشعة الشمس غير المباشرة أو المباشرة، فإن الأشعة فوق البنفسجية تسخن المواد بشكل مستقل عن درجة حرارة الهواء. الأسطح السوداء أو ذات الألوان الداكنة تمتص المزيد من الحرارة. لذلك، فإن درجة الحرارة "البيئية" التي يتعرض لها الشريط هي في الواقع المناخ الدقيق داخل القناة، وليس تقرير الطقس عن درجة الحرارة.

قراءة منحنى التخفيض

سيتضمن ورقة البيانات المهنية منحنى التخفيض. يوضح هذا الرسم البياني مدى القدرة على تحمل الطاقة (وبالتالي السطوع) التي يمكن لمصباح LED التعامل معها بأمان مع ارتفاع درجة الحرارة. قد يوفر منتج قوي سطوع 100% عند 25°C، لكنه يجب أن يقلل تلقائيًا من التيار أو يُخفَّض يدويًا إذا وصلت درجة الحرارة إلى 60°C لحماية الشرائح. إذا لم يتمكن المورد من تقديم منحنى تخفيض أو تصنيف درجة حرارة تشغيل قصوى عالية، فهذه علامة حمراء على التطبيقات ذات الحرارة العالية.

تحليل نقدي: Ta مقابل Tj

في النهاية، المقياس الأكثر أهمية هو درجة حرارة الوصلة (Tj) — درجة الحرارة في مركز شرائح LED. تفشل معظم مصابيح LED إذا تجاوزت Tj 120°C. هدفك هو الحفاظ على Tj أقل من 85°C لضمان العمر الطويل.

• الصيغة: Tj = Ta + (الطاقة × المقاومة الحرارية).
• إذا كانت Ta عالية (مصر)، يجب تقليل الطاقة أو تقليل المقاومة الحرارية (مواد أفضل) للحفاظ على Tj في مستوى آمن.

هل ستقلل درجات الحرارة المحيطة العالية بشكل كبير من عمر الحفاظ على اللومن لمصابيح LED الخاصة بي؟

نحذر عملائنا من أن تجاهل إدارة الحرارة في المناطق الحارة يسرع من تدهور الفوسفور، مما يحول الضوء الأبيض الساطع إلى لون أزرق خافت خلال شهور.
صيانة اللومن ⁶

نعم، درجات الحرارة المحيطة العالية تسرع من تدهور اللومن (L70). مع كل ارتفاع بمقدار 10°C فوق درجة حرارة الوصلة المثلى، يمكن أن يُقصَّر العمر الافتراضي بنسبة 50%. التبديد الفعال للحرارة عبر ملفات الألمنيوم ضروري للحفاظ على السطوع وتناسق اللون على مدى عمر المنتج المقدر.

غرب أستراليا ⁷

صيانة اللومن هي المصطلح الفني لمدى بقاء LED ساطعًا. المعيار الصناعي هو L70، والذي يشير إلى الوقت الذي يتراجع فيه خرج الضوء إلى 70% من سطوعه الأصلي. في مصنعنا، نقوم بإجراء اختبارات الشيخوخة المعجلة، والنتائج دائمًا متسقة: الحرارة هي القاتل الأول لعمر LED.
معامل التمدد الحراري ⁸

آليات التدهور

داخل LED COB الأبيض، يوجد شرائح LED زرقاء مغطاة بطبقة فوسفور صفراء. يخلق مزيج الضوء الأزرق والفوسفور الأصفر الضوء الأبيض. يتلف الحرارة العالية كل من غلاف السيليكون والفوسفور نفسه.

1. تأكسد الفوسفور: تسبب الحرارة المفرطة في تدهور الفوسفور وتغميقه. هذا يقلل من خرج الضوء ويسبب تحولًا في اللون.
2. تصفر السيليكون: يمكن أن يتحول السيليكون الشفاف فوق شريط COB إلى اللون الأصفر أو البني تحت حرارة عالية مستمرة (وExposure للأشعة فوق البنفسجية)، مما يعمل كمرشح متسخ يحجب الضوء.
3. التحول الأزرق: مع فشل الفوسفور، يهرب المزيد من الضوء الأزرق الخام، مما يغير درجة حرارة اللون من 3000 كلفن دافئة إلى زرقاء باردة وقاسية.

معادلة أرهينيوس في التطبيق

دون التعمق كثيرًا في الفيزياء، تتبع تدهور مواد الـ LED معادلة أرينيوس، التي تصف كيف تزداد معدلات التفاعل مع ارتفاع درجة الحرارة. قاعدة مبسطة نستخدمها في الصناعة هي أنه لكل زيادة قدرها 10 درجات مئوية في درجة حرارة الوصلة فوق الحد المسموح به، يتوقع أن يتقلص عمر التشغيل إلى النصف.

إذا كانت الشريحة مصنفة لمدة 50,000 ساعة عند درجة حرارة الوصلة 85°C، لكنها تعمل عند 95°C بسبب حرارة الصيف في مصر وسوء تبديد الحرارة، فقد تحصل على فقط 25,000 ساعة. وإذا وصلت إلى 105°C، قد تنخفض إلى 12,000 ساعة—أي أقل من سنة كاملة من التشغيل المستمر على مدار 24 ساعة في اليوم و7 أيام في الأسبوع.
سلسلة 300LSE ⁹

استراتيجيات التخفيف للمثبتين

لمواجهة ذلك، ننصح بشدة بعدم تثبيت الأجهزة ذات القدرة الكهربائية العالية شرائط COB أي شيء يزيد عن 10W/m يُنقل مباشرة على الخشب أو الجبس في المناخات الحارة. أنت يجب أن استخدم ملف الألمنيوم. يعمل الملف كمخزن حراري، يمتص ذروة الحرارة خلال النهار ويبددها. علاوة على ذلك، فكر في تقليل تشغيل مصابيح الـLED. استخدام مخفض للسطوع لتشغيل الشرائط عند سطوع 80% يمكن أن يقلل بشكل كبير من الحمل الحراري مع تأثير ضئيل على السطوع المدرك للعين البشرية.

تأثير درجة الحرارة على العمر الافتراضي (المقدر)

الاستنتاج

لضمان طول العمر في حرارة مصر، أعطِ الأولوية للبيانات الحرارية على السطوع. اختر لوحات دوائر مطبوعة من النحاس الثقيل، لواصق عالية الحرارة، وملفات الألمنيوم القوية لحماية استثمارك في التركيب.
VHB (روابط عالية جدًا) ¹⁰

هوامش

1. سجلات المناخ الرسمية للحكومة المصرية للسياق المتعلق بدرجات الحرارة القصوى. ↩︎
   

2. المنظمة التجارية العالمية لصناعة لوحات الدوائر المطبوعة والإلكترونيات. ↩︎
   

3. شرح تعليمي لفيزياء أشباه الموصلات وراء الثنائيات الباعثة للضوء الأزرق. ↩︎
   

4. خلفية عامة عن المركبات الكيميائية المستخدمة لإنتاج الضوء الأبيض في المصابيح LED. ↩︎
   

5. المعيار الصناعي في صناعة الإضاءة لقياس عمر المنتجات LED المفيد. ↩︎
   

6. المصدر الحكومي الرسمي الذي يشرح أداء LED وإنتاج الضوء مع مرور الوقت. ↩︎
   

7. تغطية إخبارية لظواهر الحرارة القصوى في منطقة مصر الغربية. ↩︎
   

8. الخلفية العلمية حول كيفية توسع وانكماش المواد مع تغير درجات الحرارة. ↩︎
   

9. مواصفات المنتج لسلسلة لواصق الأكريليك ذات الطاقة السطحية المنخفضة. ↩︎
   

10. الوثائق الفنية لأشرطة لاصق رغوي من الأكريليك عالية القوة. ↩︎