Materiały termoprzewodzące do zastosowań w oświetleniu LED

Materiały termoprzewodzące (TIM - Thermal Interface Materials) są jednym z najważniejszych połączeń pomiędzy płytką LED a systemem chłodzenia. Ogólnie rzecz ujmując, wyższe termoprzewodzenie materiałów TIM powoduje lepsze odprowadzanie ciepła. Jednakże, biorąc pod uwagę przewodność cieplną, może to nie wystarczyć. W tym artykule wyjaśnimy inne ważne czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze odpowiedniego materiału termoprzewodzącego.

Materiały termoprzewodzące to takie, dzięki którym można skutecznie i efektywnie ustalić „drogę” przepływu ciepła pomiędzy jego źródłem, jakim jest dioda LED, a systemem chłodzenia, czyli radiatorem. Materiały termoprzewodzące (TIM) są materiałami przewodzącymi ciepło, stosowanymi do zwiększenia przewodności cieplnej pomiędzy łączonymi powierzchniami stałymi, takimi jak płytka PCB i radiator, w celu podniesienia wydajności transferu ciepła. Puste przestrzenie, luki, które powstają pomiędzy łączonymi mechanicznie stałymi powierzchniami, wypełniają się powietrzem, co negatywnie wpływa na termoprzewodzenie. [Patrz: Rysunek 1]

Rysunek 1. Luki powietrzne między dwiema powierzchniami: a - niewypełnione, b – wypełnione materiałem TIM

Na rynku istnieje wiele materiałów termoprzewodzących, termoutwardzalnych, zmiennofazowych, taśm termoprzewodzących i innych wypełnień. Wiele produktów termoprzewodzących składa się z materiału bazowego (np. smar lub polimer) z dodatkowym wypełniaczem (np. cząstki ceramiczne), który to podnosi przewodność cieplną materiału bazowego.

Firma PPI Adhesive Products tworzy materiały termoprzewodzące w postaci foli i taśm samoprzylepnych. Pozwalają one klientom osiągnąć najbardziej efektywne - pod względem kosztowym i jakościowym - rozwiązania problemu opisanego powyżej

Oto niektóre z najczęściej wybieranych materiałów tego typu:

PPI TC 150B-1000B – Dwustronnie klejące pianki termoprzewodzące

PPI TCS 250B-100B – Jednostronnie klejące pianki przewodzące

PPI RD-548 – Taśma transferowa/włókninowa z klejem akrylowym termoprzewodzącym

PPI RD-628 – Dwustronna taśma termoprzewodząca o wysokich siłach klejenia

Ponadto oferowane przez PPI możliwości konwertowania i wykrawania dają dodatkowe korzyści klientom. Dzięki temu można zautomatyzować proces łączenia modułów LED z radiatorami.

Wydajność i żywotność modułów LED

Żywotność LED:

Jednym z głównych problemów, które rozwiązują materiały TIM, jest wydłużenie żywotności modułów LED. Wysoka temperatura złącza (Tj) powoduje degradację diody LED, zwłaszcza jej żywotności, jakości koloru, jak i strumienia światła. Po przekroczeniu maksymalnej temperatury znamionowej połączenia żywotność diody LED będzie spadać o 30-50% przy każdorazowym wzroście o 10˚C.

Zmiana koloru:

Ważną korzyścią płynącą z odpowiedniego chłodzenia jest utrzymanie właściwej barwy światła LED. Wzrost temperatury złącza powoduje również przesunięcie zmiany koloru w kierunku wyższego końca widma. Jest to niezwykle ważne przy świetle LED w kolorze białym, które zazwyczaj korzysta z niebieskich fal połączonych z fosforem. Poprzez wzrost temperatury zaczynają działać luminofory, co powoduje przesunięcie koloru w kierunku fal czerwonych, a co za tym idzie powstanie innego odcienia koloru białego.

Wydajność LED:

Staranny dobór wysokiej jakości materiałów termoprzewodzących pozytywnie wpływa na wydajność światła LED. Zwiększenie prądu ogólnie podnosi wydajność strumienia świetlnego, jednakże wyższy prąd zwiększa również gromadzenie się ciepła wewnątrz diody LED. Z tego powodu należy jak najbardziej zoptymalizować prąd i chłodzenie, tak aby zoptymalizować cały system i wydajność.

Trochę więcej fizyki:

Przewodność cieplna – kluczowy parametr materiału termoprzewodzącego, to właściwość materiału, która nie zależy od jego wzoru geometrycznego. Przewodność cieplna to zdolność przenoszenia ciepła poprzez wewnętrzne właściwości danego materiału.

Odporność termiczna – odporność termiczna materiału jest właściwością empiryczną pochodzącą od analogii przewodnictwa elektrycznego i cieplnego. Szybkość przenikania ciepła może być traktowana jako przepływ i połączenie przewodności cieplnej, grubości materiału i obszaru jako oporu dla tego przepływu.

Temperatura złącza (Tj) – podczas przepływu prądu elektrycznego przez diodę LED - „emisja światła” - produktem ubocznym jest ciepło. Ważne jest, aby w trakcie tego procesu utrzymać jak najniższą wartość temperatury. Określenie „emisja światła” odnosi się do złącza p-n, czyli półprzewodników niesamoistnych znajdujących się wewnątrz diody LED. Maksymalna rekomendowana wartość dla każdej diody LED znajduje się w ich danych technicznych. Ponieważ Tj określa najwyższą temperaturę wewnątrz diody LED, stanowi ona istotną wartość braną pod uwagę podczas żywotności diody LED. Z termicznego punktu widzenia temperatura złącza zależy między innymi od takich czynników jak: system chłodzenia, środowisko, zastosowane materiały itd.

Równanie do obliczania temperatury złącza wygląda następująco:

Tj = Rj-c x P +Tc

Gdzie Rj-c – oporność termiczna od „emisji światła” do obudowy podana przez producenta, moc cieplna, P – moc elektryczna LED i efektywność konwersji energii elektrycznej na moc optyczną (WPE ang. Wall-Plug Efficiency), i Tc – temperatura obudowy. Jeśli Tj jest wyższa niż maksymalna dopuszczalna temperatura złącza, która została określona przez producenta, LED i układ chłodzenia muszą zostać przeprojektowane.