Materiały termoprzewodzące do zastosowań w oświetleniu LED
28.08.2017Materiały 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.
Inne wiadomości
wszystkie nowościTEK.day 2024
Mamy przyjemność zaprosić Państwa do odwiedzenie naszego stoiska nr 019 na TEK.day 14 marca 2024 Tarczyński Arena Wrocław. TEK.day to jed...
Czytaj więcej