Главная >> Применение >> Типовые примеры >>

Светодиод на печатной плате

тепловые мостики печатной платы, тепловое сопротивление контакта, температура светодиода, температуру микросхемы, температура микрочипа, радиатор диода, печатная плата с металлическим сердечником

Светодиод размещен на подложке, которая крепится к печатной плате с металлическим сердечником. Требуется рассчитать температуру светодиода. Для лучшего отвода тепла используются переходы с низким тепловым сопротивлением.

Тип задачи
3D задача теплопроводности.

Геометрия

Дано
Мощность потерь в светодиоде 660 мВт.
Температура окружающего воздуха T₀ = +25°C, коэффициент конвекции α = 3.5 Вт/(K·м²).

Теплопроводность материалов, Вт/K-м

Алюминий	138	Медь	390
(Al In Ga N) чип	50	Кремний	130
Припой серебряный	1.5	FR-4	0.12
Диэлектрик	0.6

Задание
Рассчитать распределение температуры и тепловое сопротивление.

Решение
Геометрическая модель обладает симметрией, поэтому можно уменьшить область моделирования вдвое.

Внизу к метализированной части печатной платы приклеен массивный радиатор. Считаем, что нижняя сторона имеет постоянную температуру.

Горячие части могут активно излучать тепло. В 3D тепловых задачах ELCUT позволяет указывать только коэффициент конвекции. Для учета излучения воспользуемся линеаризацией:
Тепловой поток излучения = ε·k_SB·(T⁴ - T₀⁴) = ε·k_SB · (T³ + T²·T₀ + T·T₀² + T₀³) · (T - T₀)
Множитель ε·k_SB · (T³ + T²·T₀ + T·T₀² + T₀³) может быть рассмотрен, как линеаризованный коэффициент конвекции α_излуч..
Здесь ε = 0.9 - это степень черноты поверхности, и k_SB = 5.67e-8 W/(м²·K⁴) - это постоянная Стефана-Больцмана.

Ожидаемая температура микросхемы около T = +40°C. Тогда линеаризованный коэффициент конвекции α_излуч = 5.8 Вт/(K·м²).
Суммарный коэффициент конвекци получается α + α_излуч. = 9.3 Вт/(K·м²).

Результат
Температура светодиода получилась +39°C, поэтому наша первоначальная оценка температуры для расчета линеаризованного коэффициента конвекции α_{излучение} является вполне точной. В случае, если предполагаемая и расчетная температуры значительно различаются, возможно пересчитать коэффициент конвекции и провести анализ несколько раз, пока значение температуры не сойдется.
Тепловое сопротивление = Разница температур / тепловой поток = (39-25) / 0.66 = 21 °C/Вт.

Ссылки:
Свойства материалов и общая идея примера взята из статьи Langer, G.; Leitgeb, M.; et al. Advanced thermal management solutions on PCBs for high power applications, IPC Apex Expo (2014) Las Vegas, USA.

• Скачать файлы задачи