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zoom RSS 放熱と冷却

<<   作成日時 : 2014/02/16 17:39   >>

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 発光ダイオードの接合温度を上昇させないために、まずはパッケージから外部へ熱がよく逃げるようにする必要があります。そのためには前回紹介したようにチップから外界に至る熱伝導経路の熱抵抗をできるだけ小さくすることが必要です。

 よく採られる手段は熱伝導率の高い(熱抵抗の小さい)金属の基板やリードフレームの上にチップをダイボンドすることです。これによってチップの発熱が基板などへ伝わって逃げます。さらにこれらの金属をパッケージの外側に露出させると、外界への放射によって熱の放散が促進されます。

 前回の図Bに示したパッケージ構造もその例です。この場合はパッケージの外側に露出した金属ベースをさらにヒートシンクに取り付けています。

この方法をさらに進めてヒートシンクをパッケージに一体にした図A(特開2008-523639)のような例があります。アルミニウムや銅などで作られた金属ブロック100の表面側には発光ダイオードチップ150を取り付けるための空洞110が設けられ、裏面側には放熱フィン190が加工されています。表面の導電膜130a'、130b'はチップの電極と接続されています。金属ブロックも導電性のため、導電膜の下には図では省略されていますが、電気絶縁膜が設けられています。
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 複数の発光素子を狭い範囲に実装する場合など発熱が多く、上記の例のような熱の自然放散(放熱)では足りない場合は、強制的な冷却を行うことになります。ただし強制的な冷却を行うにはどうしても大型化が避けられません。また強制冷却を行うためにはエネルギー(通常は電気的パワー)を供給する必要があります。それでもなお冷却を必要とするのは、むしろ特殊なケースと言えるでしょう。

 一般的な冷却手段には流体を循環させるという手段があります。発光ダイオードの場合はパッケージ内に低温の気体や液体を循環させます。図B(特開2006-319103より)は液体冷却系を備えたパッケージの例です。発光ダイオード17は基板16上に固定され、パッケージ11内に置かれています。パッケージ上面は光を透過するカバーガラス15で密閉されています。
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 パッケージ内は冷却液19で満たされています。冷却液は透明で絶縁性でなければならず、例としてはフッ素系やシリコン系のオイルが挙げられています。

 この冷却液は液輸送チューブ24a、24bを通ってマイクロポンプ21によって循環させられています。循環路には熱交換器22と冷却ファン25が設けられ、チップの発熱を受けて温度が上昇した冷却液を再度冷やすようになっています。

 半導体レーザのパッケージなどでよく使われているのが、熱電効果(ペルチェ効果)を利用した熱電冷却素子(ペルチェ素子と呼ぶこともあります)を用いた冷却です。もちろんこれを発光ダイオードパッケージに適用することは可能です。冷却だけでなく加熱もできるので、流体による冷却などに比べると迅速で細かい温度制御ができる特徴があります。
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 図C(特表2007-537490より。部材番号は見やすくするために書き直してあります)はこの熱電冷却素子50と液体冷却システム60を併用した例です。発光ダイオード10は回路基板20に搭載されていますが、回路基板上には熱センサ30が取り付けられていて、基板の温度情報がプロセッサ40に送られ、液体冷却システムの熱交換器70の冷却ファン70を制御するようになっています。この図には描かれていませんが、熱電冷却素子を制御してもよいと思われます。







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