حلول تبديد الحرارة في شاشات LED القابلة للارتداء

لماذا تُعَد إدارة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية لشاشات LED القابلة للارتداء

التأثير الناجم عن درجة حرارة الوصلة على سطوع الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)، واستقرار لونه، وطول عمره الافتراضي

عندما ترتفع درجة حرارة شاشات العرض LED القابلة للارتداء فوق نطاق التشغيل الآمن لها، فإن ذلك يؤثر سلبًا بشكل كبير على أدائها العام. وتُظهر الأبحاث أنه إذا ارتفعت درجات الحرارة بمقدار ١٠ درجات مئوية فقط فوق القيمة الموصى بها، فإن عمر الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) ينخفض إلى النصف تقريبًا، كما تنخفض سطوعها بوتيرة أسرع بكثير — وبشكل دقيق بين ٨٪ و١٥٪ أسرع. ويتفاقم مشكلة الحرارة لأنها تؤدي أيضًا إلى تغيرات ملحوظة في جودة الألوان، والتي تُقاس بقيمة تجاوز «دلتا يو برايم فاي برايم» (Δu′v′) لـ ٠٫٠٠٦، ما يعني أن الألوان تبدو مختلفةً مع مرور الوقت. وهذه النوعية من التناقضات تصبح قضية كبيرة في أجهزة مثل المعدات الطبية أو المعدات المستخدمة في المصانع، حيث تكون الدقة في القراءات هي الأهم.

المصدر: دراسة تدهور الصمامات الثنائية الباعثة للضوء الناتج عن الحرارة، ٢٠٢٣

وبما أن التبريد النشط غير عملي في الأجهزة القابلة للارتداء، فإن الإدارة الحرارية السلبية تصبح أمرًا لا غنى عنه — ليس فقط لضمان طول العمر، بل ولضمان السلامة الوظيفية.

مخاطر التدهور الحراري لمصفوفات المايكرو-LED والدوائر المطبوعة المرنة في الاستخدام القريب من الجلد

إن استخدام الأجهزة القابلة للتشغيل بالقرب من الجلد يُحدث بعض المشكلات المحددة جدًّا. فعندما تبقى درجات الحرارة فوق ٤٥ درجة مئوية لفترات طويلة، فإن ذلك يؤدي فعليًّا إلى تلف أسلاك الربط الدقيقة الموجودة في مصابيح LED المجهرية وكذلك الترانزستورات ذات الفيلم الرقيق (TFTs). وينتج عن ذلك زيادة بنسبة تقارب ٣٠٪ في عدد البكسلات المعطوبة في الشاشة. وتُشكِّل اللوحات الإلكترونية المرنة المطبوعة (PCBs) مشكلةً أخرى؛ إذ تميل المسارات النحاسية فيها إلى الانفصال عند درجات حرارة أقل بنسبة ٢٠٪ عما يحدث في اللوحات الإلكترونية الصلبة العادية. ويؤدي هذا إلى ظهور مشكلة حقيقية، لأن العرق الذي يفرزه الشخص قد يحتوي على أيونات معدنية تسبّب دوائر قصيرة. أما أكبر مصدر قلق فهو في المفاصل التي تنثني وتتحرَّك، حيث تتراكم الإجهادات الحرارية هناك بمرور الوقت، مما يجعل الوصلات اللحامية تتآكل أسرع بأربعة أضعاف من المعتاد. وعلينا أن نتذكَّر أن حروق الجلد قد تحدث حتى عند درجة حرارة ٤٤ درجة مئوية إذا ارتدى الشخص الجهاز باستمرار لمدة ست ساعات كاملة. وهذا يعني أن اختيار المواد لا يتعلَّق فقط بكفاءتها في توصيل الحرارة، بل أيضًا بما إذا كانت آمنة على الجلد أثناء أداء هذه المهمة.

استراتيجيات التبريد السلبي لشاشات LED القابلة للارتداء

ال(substrates) المرنة عالية التوصيلية والثقوب الحرارية المدمجة

عند استخدام الدوائر المرنة النحاسية السميكة (عادةً ما تكون بسماكة ٢ أونصة أو أكثر)، تنخفض المقاومة الحرارية إلى أقل من ٠٫٥ درجة مئوية لكل واط، ما يعني توزيعًا أفضل للحرارة عبر سطح الشاشة بالكامل. وتساعد الثقوب الحرارية المدمجة في نقل الحرارة عموديًّا من تلك التجمعات الضيقة لمصابيح LED المصغَّرة نحو الطبقات الخارجية للتبريد، وبالتالي نتفادى تلك النقاط الساخنة المزعجة التي تؤثر سلبًا على دقة الألوان. وما يميز هذه التصاميم حقًّا هو قدرتها على الحفاظ على نصف قطر الانحناء الخاص بها حتى عند ثنيها لتتناسب مع الأجهزة القابلة للارتداء. كما أن المصنِّعين يقدِّرون حقيقة أن مواد مثل سبيكة النحاس-البريليوم لا تتحلَّل مع مرور الزمن، مما يضمن استمرار عمل المسارات الحرارية الحرجة بكفاءة بعد مئات المرات من الانثناء والمرونة أثناء الاستخدام العادي.

مواد واجهة حرارية آمنة للجلد (TIMs) لربط منخفض السماكة وعالي الكفاءة

تُستخدم مواد السيليكون والبوليمرات التي تتغير حالتها الطورية كمواد واجهة حرارية لتوصيل مصادر الحرارة إلى موصلات التبريد بسماكة تقل عن نصف ملليمتر، مع قدرتها على توصيل الحرارة بشكل أفضل من ٥ واط لكل متر كلفن. وقد صُممت هذه المواد لتكون آمنة على الجلد ومقاومة للتعرق، لذا فهي لا تسبب أي إزعاج عند ارتدائها لفترات طويلة. أما الأنواع الأطرى فعلاً، أي تلك التي تحمل تصنيف شور (Shore) ٠٠ أقل من ٣٠، فهي توزّع الضغط بالتساوي على مختلف أشكال الجسم. وهذا يعني أن المادة تواصل نقل الحرارة باستمرار حتى أثناء حركة الشخص، وهو ما أُثبت عمليًّا عبر اختبارات أُجريت على أشخاص ارتدوا هذه المواد. وبعض الإصدارات الخاصة منها تعمل أيضًا كعازل كهربائي، مما يمنع تمامًا احتمال حدوث صدمات كهربائية عند ملامسة المادة للجلد.

دمج مشتتات الحرارة خفيفة الوزن ومُحسَّنة من حيث الشكل

موازنة الأداء الحراري مع الوزن والسماكة والقيود الارгонومية

يتطلب تصميم مشتِّتات الحرارة للأجهزة القابلة للارتداء موازنة عوامل متعددة في آنٍ واحد. وتكمُن التحديات في تحقيق أداء حراري جيِّد مع الحفاظ على خفة الوزن بما يكفي لارتدائها براحتها طوال اليوم. وقد اكتسب المغنيسيوم زخماً متزايداً مؤخراً في قطاعات السيارات والطائرات، وهو الآن يظهر إمكانات واعدة أيضاً في هذا المجال. فهذه المادة توفر نحو ثلثي ما يوفِّره الألومنيوم من حيث توصيل الحرارة بعيداً عن المكونات، لكن وزنها أقل بنسبة تقارب الثلث وفقاً لأحدث الدراسات المنشورة في مجلة «تقارير علوم المواد» عام ٢٠٢٣. وللأجهزة التي يُحسب فيها كل غرام بدقة، يفتح المغنيسيوم آفاقاً جديدة لإنشاء هياكل رقيقة جداً ذات تصاميم معقدة، مثل تلك الزعانف الدقيقة (Pin Fins) التي نراها في بعض أنظمة التبريد المتقدمة. وتساعد هذه السمات في زيادة المساحة السطحية المتاحة لحركة الهواء حول الجهاز دون أن تُسبب أي إزعاج عند نقاط التلامس مع الجلد.

أفضل الممارسات التصميمية لتحقيق تبديد حراري موثوق في شاشات LED القابلة للارتداء الخالية من المراوح

إن تحقيق إدارة حرارية جيدة يتطلب التفكير في النظام ككل، لا سيما أن المراوح لا تعمل بكفاءة في الأجهزة القابلة للارتداء لأنها تستهلك مساحةً وتُحدث مشاكل في الضوضاء. ومنهجية جيدة تتمثل في توزيع الحرارة سلبيًّا باستخدام ما لا يقل عن أوقيةَين (60 غرامًا تقريبًا) من النحاس في لوحات الدوائر المطبوعة المرنة. ويساعد هذا على توزيع الحرارة بشكل أفضل دون زيادة السُمك أكثر مما هو ضروري. أما بالنسبة للمواد التي تتلامس مع الجلد، فيجب اختيار مواد واجهة حرارية حيوية التوافق (Biocompatible) ذات توصيل حراري يفوق ٣ واط لكل متر كلفن. فهذه المواد تقلل المقاومة الحرارية في المناطق التي يتلامس فيها الجهاز فعليًّا مع الجسم. كما ينبغي وضع المكونات عالية استهلاك الطاقة بعيدًا عن المناطق التي ستلامس الجلد مباشرةً. وعند تصميم التخطيطات، يجب أيضًا أخذ الحركة الطبيعية للهواء في الاعتبار. أما بالنسبة لمصفوفات الميكرو-ليد المدمجة جدًّا، فإن إدخال ثقوب توصيل حرارية (Thermal Vias) بين الطبقات يُحقِّق نتائج ممتازة في توزيع الحرارة. وقد رأينا مرارًا وتكرارًا نجاح هذه الطريقة في إدارة الحرارة في الدوائر الكثيفة التجميع. ولا تنسَ اختبار كل شيء في ظروف العالم الحقيقي أيضًا. فتأكد من أن الأجهزة تظل آمنة حتى عند ارتفاع درجات الحرارة إلى ٣٥ درجة مئوية وتقلبات الرطوبة. كما لا ينبغي أن تتجاوز درجة حرارة السطح ٤١ درجة مئوية إذا أردنا الامتثال لتلك المعايير الأمنية المهمة الخاصة بالتلامس المطوَّل مع الجلد، كما ورد في المعيار الدولي ISO 13485.

قسم الأسئلة الشائعة

١. لماذا تُعَدُّ إدارة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية لشاشات العرض LED القابلة للارتداء؟
تُعَدُّ إدارة الحرارة أمرًا حيويًّا لشاشات العرض LED القابلة للارتداء لضمان أدائها وطول عمرها وسلامتها. ويمكن أن تتسبب الحرارة الزائدة في فقدان السطوع وانحراف الألوان، كما تقلِّل بشكل كبير من عمر مصابيح LED. ويكتسب هذا الأمر أهميةً خاصةً في التطبيقات مثل الأجهزة الطبية التي تعتمد على الدقة.

٢. كيف تؤثر الحرارة على أداء شاشات العرض LED القابلة للارتداء؟
يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تدهورٍ سريعٍ لمصابيح LED، مما ينعكس في فقدان السطوع وعدم اتساق الألوان. وباستخدام الجهاز لفترات طويلة، قد يؤدي ذلك أيضًا إلى زيادة عدد البكسلات التالفة، لا سيما في مصفوفات Micro-LED واللوحات الإلكترونية المرنة (Flexible PCBs)، ما يُسبِّب مشكلات في الموثوقية.

٣. ما الاستراتيجيات المستخدمة لتبديد الحرارة سلبِيًّا في الأجهزة القابلة للارتداء؟
تشمل الاستراتيجيات استخدام ركائز مرنة ذات توصيل حراري عالٍ، وثقوب حرارية مدمجة، ومواد واجهة حرارية آمنة للجلد لتوزيع الحرارة بكفاءة وأمان. كما يمكن أن تساعد مشتّتات الحرارة خفيفة الوزن المصنوعة من مواد مثل المغنيسيوم في ذلك دون إضافة وزن أو سُمك إضافيين.

٤. ما أفضل الممارسات التصميمية لإدارة الحرارة في شاشات LED القابلة للارتداء بدون مراوح؟
تشمل أفضل الممارسات استخدام النحاس في الدوائر المرنة لتوزيع الحرارة، واستخدام مواد واجهة حرارية حيوية التوافق لضمان سلامة التلامس مع الجلد، وتوزيع المكونات التي تولّد الحرارة بشكل استراتيجي، واستخدام الثقوب الحرارية لنقل الحرارة بكفاءة مع ضمان الامتثال لمتطلبات السلامة.