Save
energy

Як відвести тепло від світлодіода ? Розбираємось з поняттями.

В сучасному світі з кожним днем Світлодіоди стають все яскравішими Щоб задовільнити зростаючі вимоги ринку загального освітлення, світлодіоди повинні відповідати параметрам світлової віддачі традиційних ламп розжарювання та галогенних ламп. Для цього підвищується потужність світлодіода, а на цьому етапі одразу набуває актуальності питання тепловідведення. Стандартні потужні світлодіоди перетворюють у видиме світло лише близько 45% енергії. Решта енергії виділяється в якості тепла. Необхідно якомога швидше відвести тепло зі світлодіода, щоб попередити його перегрівання і можливі технічні несправності.

Торкнемося історії тепловідведення світлодіода та його способів.

Після того як виробники світлодіодів зіткнулися з проблемою відведення тепла, було розроблено декілька способів її подолання. Всі з них зосереджені на корпусі світлодіода. Корпус світлодіода виконує декілька функцій: безпосередній захист кристалу світлодіода та кріплення його до монтажної плати. Також герметичний корпус світлодіода в значній мірі попереджає втрату тепла конвекцією та випромінюванням. Єдиним способом відведення тепла зі світлодіода є його кондукція зі зворотної сторони світлодіода.

Саме тому почали використовувати теплопровідні підкладки, з допомогою яких вдається мінімізувати канал тепловідводу між світлодіодом і радіатором. Найпростішим рішенням було б використати мідну пластину, адже мідь є чудовим теплопровідним матеріалом, але існують певні нюанси. Теплопровідні підкладки повинні бути водночас і електроізолюючими, адже на них буде наноситись топологія майбутньої друкованої плати. Тому рішення (що залишається актуальним і до нині) було у пошуку матеріалу, який би був теплопровідним і водночас виконував функцію діелектрика.

Що ж роблять виробники світлодіодів для покращення тепловідводу та зменшення собівартості світлодіоду ?

Загалом існує два способи корпусування світлодіодів. Виробники можуть корпусувати один кристал світлодіода або декілька кристалів (напр. один червоний,один зелений і один блакитний), зібраний з з використанням технології поверхневого монтажу (SMD). Виробники також можуть корпусувати декілька кристалів безпосередньо на друковану плату (ДП) – технологія COB корпусування. На малюнку 1 зображені різні види корпусування виробників Cree, Lumileds та Samsung

На перший погляд, технологія виробництва світлодіодів COB є дуже простою і ефективною. Завдяки встановленню кристала світлодіода безпосередньо на друковану плату без його попереднього корпусування, вдалося скоротити виробничий процес та технологічні витрати. Це безперечно робить пристрої COB рентабельними. Недоліком світлодіодів COB є те, що вони мають широкий кут розсіювання.

Вони успішно використовуються в освітлювальних приладах для вуличного освітлення. Але якщо є необхідність у спрямованому освітленні – наприклад, автомобільні фари або стельові світильники – перевага віддається над'яскравим SMD світлодіодам.

Які ж вимоги до корпусування світлодіодів спрямованого освітлення ?

Щоб правильно і ефективно корпусувати потужні світлодіоди для спрямованого освітлення необхідно, щоб обидві сторони підложки були «об’єднані в контур», а мідні доріжки з’єднували обидва кристали. Це важлива умова, так як підкладка буде встановлена на модуль або на плату освітлювального приладу, яка живитиме кристал світлодіоду. Наскрізні отвори, заповнені провідниковою міддю, є необхідними, але вони повинні бути ізольованими від іншої частини плати. В зв’язку з цим, неможливо використовувати матеріали, які не дозволяють з легкістю електрично ізолювати наскрізні отвори, наприклад, друковані плати на металевій основі (ДПМО).

Досі, єдиним матеріалом, який би відповідав даним вимогам, була високоякісна кераміка для електронних компонентів. Зручність використання кераміки полягає в тому, що вона є природнім діелектриком – наскрізні отвори на підкладці будуть електрично ізольовані від решти матеріалу – більше того, певні види кераміки мають досить непогані теплопровідні властивості.

Є ще одна суттєва перевага використання кераміки: вона здатна проходити процес прямого міднення (ПМ) з високою роздільною здатністю. ПМ використовує явище адгезії, в якій мідні доріжки напилюються на кераміку, задля створення схеми, і відрізняється від процесу редукції, в якому хімічним способом видаляється мідь між доріжками. Завдяки цій технології нанесення міді є надзвичайно точним, похибка вимірюється в мікронах. В результаті отримуємо точні дрібні частинки для потужних світлодіодів.

У даному випадку, бюджетні друковані плати на металевій основі залишаються в програші. Для того,щоб створити діелектричний шар на ДПМО, додається епоксидна смола для кріплення мідного контуру до поверхні металевої основи. Епоксидний шар зазвичай містить дрібні керамічні включення для покращення теплопровідності, які виконують функцію діелектрика. В даному випадку може бути використаний лише процес редукції, який не  має достатньої роздільної здатності. І знову ж таки, оптимальним рішенням залишається використання кераміки.

Для корпусування світлодіодів використовують два основні види кераміки: Al2O3 (оксид алюмінію - корунд) і AlN (нітрид алюмінію). Al2O3 є бюджетним матеріалом з низькими теплопровідними властивостями (20-30 Вт/м·К). AlN є його повною протилежністю. Даний матеріал має виняткові теплопровідні властивості (170-200 Вт/м·К), але й високу ціну. Вартість AlN може перевищувати вартість Al2O3 у вісім разів. Це ставить виробників потужних світлодіодів перед дилемою: свідомо змиритися з гіршими характеристиками бюджетного Al2O3 або погодитись на дуже високу ціну AlN. Ні один із варіантів не є оптимальним, що зображено на Малюнку 2.

Теплопровідність композиційного матеріалу Вт/м·К

Саме тому, був розроблений третій альтернативний варіант - НАНОКЕРАМІЧНІ матеріали, які об’єднують у собі кращі властивості кераміки та алюмінію. Нанокерамічні матеріали виготовляються з використанням запатентованої технології високовольтного електрохімічного оксидування (ЕХО), яка перетворює поверхневий шар алюмінію у оксид алюмінію (Al2O3). Цей шар є надзвичайно тонким, в межах 10-30 мкм, що є достатнім для того, щоб виконувати функцію діелектрика. Його суттєвою перевагою є те, що зведені теплові характеристики матеріалу є дуже високими - 152 Вт/м·К.

Нанокерамічні матеріали також вирішують проблемні питання у використанні друкованих плат на металічній основі. Вони однозначно можуть використовуватись для ізоляції наскрізних отворів у алюмінієвій друкованій платі. Отвори на алюмінієвій платі робляться до процесу високовольтного електрохімічного оксидування, таким чином всі поверхні – включаючи поверхні наскрізних отворів – покриваються діелектричним шаром нанокераміки. В результаті, ми отримуємо готовий виріб з теплоефективними та електроізольованими наскрізними отворами, які в подальшому заповнюються міддю для створення проміжних з’єднань.

Так як поверхневим матеріалом друкованої плати є оксид алюмінію, вона може проходити через стандартні виробничі лінії прямого міднення, реагуючи на мідне напилювання таким же чином як Al2O3. Це дозволяє виробникам світлодіодів будувати схеми з високою роздільною здатністю, необхідні для потужних світлодіодів.

Нанокерамічні матеріали є «золотою серединою» між двома крайнощами Al2O3 та AlN, пропонуючи теплоефективність за оптимальну ціну. Нанокераміка представляє собою цілий клас новітніх матеріалів, які можуть використовуватись практично для всіх компонентів потужних світлодіодів.

Підбір матеріалів та конструкції

У який випадках можна використовувати кераміку та нанокераміку? Нижче наведений детальний огляд продукції потужних світлодіодів, з використанням різних матеріалів. Всі прилади класифікуються як над'яскраві компоненти, однак, поняття потужних світлодіодів є досить широким.

Корпусований потужний світлодіод з одним великим кристалом (1 Вт). Так як виробники світлодіодів постійно працюють над підвищенням потужності LED компонентів, корпусований світлодіод потужністю 1 Вт, на даний момент, можна віднести до класу середньої потужності (Мал.3). В даному випадку вибір матеріалу підкладки буде в основному залежати від щільності потужності. Якщо розмір корпусу є більшим, то щільність потужності зменшиться, так як кількість тепла, яке має бути відведеним, є фіксованою. Оптимальним бюджетним матеріалом у даному випадку буде Al2O3. Однак, якщо розмір корпусу стає меншим, відповідно щільність теплового потоку збільшується. Раніше, у таких випадках змушені були використовувати дорожчий матеріал AlN. Тепер же існує економічно ефективна альтернатива – нанокераміка.

Малюнок 3. Дискретний однокристальний потужний світлодіод є найзручнішим в експлуатації і найпоширенішим компонентом в світлодіодній галузі. Потужність світлодіодів постійно зростає тим самим поглиблюючи проблему відведення тепла. На малюнку зображений метод перевернутого кристалу. Оранжевим кольором позначені зони, які необхідно покрити діелектричним матеріалом з високою теплопровідністю.

Багатоелементний світлодіод з використанням технологій SMT/CSP (>10 Вт). За своїм принципом схожий на попередній прилад, де на друковану плату світлодіода встановлюється багато компонентів SMT або CSP середньої потужності (Мал.4). Якщо елементи світлодіода розміщені на достатньо великій відстані, то в якості підкладки можна навіть використати стандартний матеріал для друкованих плат FR4. Забезпечуючи ефективний відвід тепла у світлодіоді, можна продовжити термін експлуатації, покращити відтінок кольору та світловіддачу. Так як щільність потужності постійно зростає, у таких приладах доцільним є використання друкованих плат на металевій основі. Також для цього класу продукції оптимальним рішенням є використання друкованих плат з нанокерамічним діелектричним покриттям.

Малюнок 4. Багатоелементні світлодіоди з використанням технологій SMT/CSP можуть бути встановлені масивами (кластерами) на друковані плати з металевою основою, при цьому оптимальне відведення тепла може бути досягнуте завдяки розміщенню компонентів з достатніми проміжками.

Невеликі кластери світлодіодів COB (10 Вт). У випадку зі світлодіодами COB (Мал.5), невеликий розмір зовсім не робить їх дешевшими! Чим менший прилад, тим щільніше розміщені кристали на друкованій платі. У невеликих над'яскравих світлодіодах COB рівень щільності теплового потоку значно перевищений. В даному випадку можуть застосовуватись всі доступні матеріали: Al2O3, нанокераміка, AlN, в залежності від щільності потужності і вартості продукту.

Малюнок 5. Корпусовані світлодіоди COB з дротовими з’єднаннями можуть у різній мірі потребувати відведення тепла,  в залежності від розміру кластеру та проміжків між компонентами.

Висновки

У питанні тепловідведення у потужних світлодіодах абсолютно неможливо встановити «універсальний розмір корпусу для всіх світлодіодів». Кожна конструкція потребує аналізу і підбору матеріалів, які б відповідали конкретним вимогам. Ми розглянули декілька варіантів світлодіодів, та у кожному конкретному випадку потрібно враховувати такі параметри як форма, кріплення і призначення.

Всі традиційні теплопровідні підкладки – ДПМО, Al2O3 і AlN – можуть використовуватися у випадках, де їхні експлуатаційні характеристики повністю відповідатимуть вимогам. Однак, до сьогодні існувала велика прогалина між використанням Al2O3 і AlN. У випадку теплопровідності, яка б перевищувала 30 Вт/м·К, відразу виникала необхідність використовувати AlN, що спричиняло суттєве підвищення ціни. Поява нанокерамічних матеріалів змінила ситуацію, і стала своєрідною «золотою серединою» між показниками у 30 Вт/м·К і 170 Вт/м·К. Це альтернативне рішення, яке пропонує кращу економічну ефективність у порівнянні з AlN і кращу теплопровідність у порівняні з Al2O3.

Меню