高出力LEDの熱管理

接着剤は熱伝導性界面層であり、^{[ 5 ]} LEDと基板、基板とヒートシンクの接合に一般的に使用され、熱性能をさらに最適化します。現在の市販の接着剤は、比較的低い熱伝導率（約1 W/(mK)）によって制限されています。

ヒートシンクは、 LED光源から外部媒体へ熱を逃がす経路を提供します。ヒートシンクは、次の3つの方法で放熱することができます。

• 伝導- ある固体から別の固体への熱伝達
• 対流とは、固体から移動する流体への熱伝達のことで、ほとんどのLEDアプリケーションでは空気がこれに該当します。
• 放射- 熱放射による、表面温度の異なる2つの物体間の熱伝達。

また、ヒートシンク：

• 材質– ヒートシンクの材質の熱伝導率は、伝導による放熱効率に直接影響します。通常はアルミニウムが使用されますが、平板型ヒートシンクの場合は銅が有利な場合もあります。新しい材質としては、放熱要件が通常よりも低い場合や、射出成形によって複雑な形状を実現できる場合に用いられる熱可塑性樹脂や、銅よりも優れた熱伝導性とアルミニウムよりも軽量性を持ち、複雑な二次元形状に成形できる天然黒鉛などがあります。黒鉛は特殊な冷却材と考えられており、製造コストが高くなります。また、放熱抵抗を低減するために、アルミニウム製または銅製のヒートシンクにヒートパイプを追加することもできます。
• 形状– 熱伝達はヒートシンクの表面で起こります。そのため、ヒートシンクは表面積を大きく設計する必要があります。これは、多数の細いフィンを使用するか、ヒートシンク自体のサイズを大きくすることで達成できます。

表面積が大きいほど冷却性能は向上するが、フィンと周囲の空気との間に十分な温度差を生み出すためには、フィンとフィンの間に十分な空間が必要である。

フィン同士の間隔が狭すぎると、フィン間の空気の温度がフィンとほぼ同じになり、熱伝導が起こらなくなる。したがって、フィンの数を増やせば必ずしも冷却性能が向上するとは限らない。

• 表面仕上げ– ヒートシンクの熱放射は、特に高温時において、表面仕上げに大きく左右されます。塗装された表面は、塗装されていない明るい表面よりも放射率が高くなります。この効果は、平板型ヒートシンクで最も顕著で、熱の約3分の1が放射によって放散されます。さらに、接触面が完全に平坦であれば、熱伝導グリスの層を薄くすることができ、ヒートシンクとLED光源間の熱抵抗を低減できます。一方、陽極酸化処理やエッチング処理も熱抵抗を低減する効果があります。
• 取り付け方法– ネジやバネを使ったヒートシンクの取り付け方法は、通常のクリップ、熱伝導性接着剤、粘着テープよりも優れている場合が多い。

15ワットを超えるLED光源とLEDクーラー間の熱伝達には、界面の熱抵抗を0.2 K/W未満に抑える高熱伝導性界面材料（TIM）の使用が推奨されます。現在最も一般的な解決策は、室温では固体パッドとして塗布され、45 ℃を超えると粘稠なゲル状流体に変化する相変化材料を使用することです。 

ヒートパイプとベイパーチャンバーは受動型であり、10,000～100,000 W/m K の有効熱伝導率を有します。LED の熱管理において、以下の利点を提供できます。^{[ 6 ]}

• 熱を最小限の温度低下で遠隔のヒートシンクへ輸送する。
• 自然対流ヒートシンクを等温化することで、効率を高め、サイズを小さくすることができます。あるケースでは、ヒートパイプを5本追加することで、ヒートシンクの質量を4.4kgから 2.9kgへと34%削減することができました 。^{[ 7 ]}
• LED直下の高熱流束を効率的に低熱流束に変換し、より容易に除去できるようにする。^{[ 8 ]}

• MCPCB（メタルコアPCB）とは、回路基板の一部として放熱材として金属材料をベースとして組み込んだ基板のことです。金属コアは通常、アルミニウム合金または銅合金で構成されています。さらに、MCPCBは熱伝導率の高い誘電体ポリマー層を組み込むことで、熱抵抗を低減することができます。
• 分離– LED駆動回路をLED基板から分離することで、ドライバによって発生する熱がLED接合部の温度を上昇させるのを防ぎます。

• 積層プロセス–厚膜は、必要な箇所にのみ材料を使用する選択的な積層プロセスです。アルミニウム製ヒートシンクとのより直接的な接続が実現されるため、回路構築に熱界面材料は不要です。放熱層と熱負荷が軽減されます。処理工程が削減され、使用する材料の種類と消費量も削減されます。
• 絶縁アルミニウム材料システム– 熱伝導性を向上させ、高い絶縁破壊強度を実現します。材料は600℃未満で焼成できます。回路はアルミニウム基板上に直接構築されるため、熱界面材料 は不要です。熱伝導性の向上により、LEDの接合部温度を最大10 ℃下げることができます。これにより、設計者は各LEDへの電力を増やすことで基板上のLED数を減らすか、寸法上の制約に対応するために基板サイズを小さくすることができます。また、LEDの接合部温度を下げることで、LEDの寿命が劇的に向上することも実証されています。 

• フリップチップとは、シリコン集積回路業界で広く使われているパッケージ構成のフリップチップと概念が似ています。簡単に言うと、LEDダイは、通常シリコンまたはセラミック製のサブマウント上に下向きに実装され、ヒートスプレッダおよび支持基板として機能します。フリップチップの接合部には、共晶はんだ、高鉛はんだ、鉛フリーはんだ、または金スタブを使用できます。主な光源はLEDチップの裏面から発せられ、通常、発光体とはんだ接合部の間に反射層が組み込まれており、下向きに放出された光を上向きに反射します。いくつかの企業は、高出力LEDにフリップチップパッケージを採用し、熱信頼性を維持しながらLEDの熱抵抗を約60%削減することに成功しています。

LEDフィラメント型ランプは、透明なガラス基板上に多数の低消費電力LEDを配置し、蛍光体でコーティングした後、シリコンで封止した構造になっています。ランプ内部には不活性ガスが充填されており、このガスがLEDアレイからランプ本体へと熱を伝達します。この設計により、大型のヒートシンクが不要になります。

熱電素子は、小型で応答が速いため、高出力LEDの熱管理に有望な候補です。^{[ 9 ]} 2枚のセラミックプレートで作られた熱電素子を高出力LEDに組み込むことで、熱伝導と電流絶縁によってLEDの温度を調整できます。^{[ 10 ]}セラミック熱電素子はLEDのシリコン基板との熱膨張係数の不一致が生じる傾向があるため、従来のセラミック熱電素子に代わるものとしてシリコンベースの熱電素子が開発されました。シリコンは酸化アルミニウム(30 W/(m·K))よりも高い熱伝導率(149 W/(m·K))を持つため、シリコンベースの熱電素子の冷却性能は従来のセラミック熱電素子よりも優れています。

熱電材料の冷却効果はペルティエ効果に依存します。^{[ 11 ]} n型およびp型熱電素子で構成された回路に外部電流を印加すると、電流によって熱電素子内のキャリアが一方の側から他方の側へ移動します。キャリアが移動すると、熱もキャリアとともに一方の側から他方の側へ流れます。熱伝達の方向は印加電流に依存するため、熱電材料は、加熱された側から他方の側へキャリアを駆動する電流によって冷却器として機能します。

一般的なシリコンベースの熱電デバイスはサンドイッチ構造になっています。熱電材料は、熱伝導率の高い材料で作られた 2 つの基板の間に挟まれています。^{[ 12 ]} N 型と p 型の熱電ユニットが中間層として直列に接続されています。高出力 LED が発熱すると、まず熱が上部の基板を通して熱電ユニットに伝わります。外部電流を印加すると、熱は熱電ユニットを通して下部の基板に流れ、高出力 LED の温度が安定します。

液体金属、水、蒸気などの液体を使用した冷却システム^{[ 13 ]}も、高出力LEDの温度を積極的に管理します。液体冷却システムは、駆動ポンプ、コールドプレート、ファン冷却ラジエーターで構成されています^{[ 14 ]} 。高出力LEDによって発生した熱は、まずコールドプレートを介して液体に伝達されます。次に、ポンプによって駆動される液体がシステム内を循環して熱を吸収します。最後に、ファン冷却ラジエーターが加熱された液体を冷却し、次の循環に備えます。液体の循環によって高出力LEDの温度が管理されます。