LEDIKO | Zarządzanie ciepłem i chłodzenie diod LED

Spis treści:

Od autora

1. Elektroluminescencja
2. Diody elektroluminescencyjne - rys historyczny
3. Sposoby wytwarzania białych diod LED
4. Obecne i przyszłe parametry diod LED
5. Zasilanie diod LED
6. Optyka diod LED
7. Zarządzanie ciepłem (chłodzenie diod LED)

Część 7. Zarządzanie ciepłem i chłodzenie diod LED

Pojedyncze diody LED w porównaniu z klasycznymi źródłami światła zużywają niewiele mocy. Produkowane obecnie seryjnie najsilniejsze jedno-chipowe emitery LED zużywają do 5W energii. W odniesieniu do żarówek, czy lamp fluoroscencyjnych, które zużywają kilkadziesiąt czy nawet setki watów, te 5W może wydawać się niewielką ilością. Sprawa wygląda jednak inaczej, gdy przyjrzymy się gęstości mocy, która występują w chipach LED. W ich przypadku cała moc wydziela się, bowiem na powierzchni około 1mm2, co daje gęstości mocy na poziomie 100W/cm2. Pod tym względem diody LED są bliższe żarówkom niż lampom fluoroscencyjnym (małe gęstości mocy ze względu na dużą powierzchnię). Pamiętając jednak, że mechanizm powstawania światła w diodach LED to elektroluminescencja, a nie żarzenie się, trzeba tę wydzielającą się w chipie w postaci ciepła moc w jakiś sposób odprowadzić. Żarówki 80% ciepła rozpraszają poprzez promieniowanie cieplne, a jedynie 20% poprzez konwekcję. W przypadku diod LED 50% ciepła jest rozpraszane przez promieniowanie IR, a pozostałe 50% poprzez konwekcję. Ten 2,5 krotny wzrost w rozpraszaniu konwekcyjnym wymusza stosowanie specjalnych zabiegów nazywanych ogólnie „zarządzaniem ciepłem” (ang. thermal management) lub potocznie chłodzeniem. W przypadku opraw oświetleniowych z diodami LED zarządzanie ciepłem jest jedną z kluczowych spraw, na które trzeba zwrócić szczególną uwagę. Wynika to z dwóch głównych powodów. Pierwszy, to zależność wydajności diod LED od temperatury chipu. Drugi powód, to zależność czasu życia lampy LED od temperatury pracującego chipu. Zarządzania ciepłem sprowadza się w tych przypadkach do jednego mianownika – do obniżania temperatury chipu do możliwie niskiego poziomu.

Rys. 1. Zależność wydajności świetlnej od temperatury dla trzech rodzajów diod LED.

Na rysunku 1 przedstawiona jest zależność intensywności świecenia diody LED od temperatury złącza p-n dla diod wykonanych z różnych materiałów półprzewodnikowych - emitujących różne długości fal świetlnych. Na rysunku zamieszczony jest również wzór równania, które opisuje tą zależność. Dla każdego rodzaju diod istnieje pewna temperatura charakterystyczna T1, od której zależy nachylenie wykresu funkcji. Im temperatura charakterystyczna danego materiału jest mniejsza, tym bardziej nachylona jest krzywa zależności jasności od temperatury. Najwyższą temperaturę charakterystyczną posiadają diody niebieskie, a najniższą diody czerwone. W konsekwencji diody emitujące fale z zakresu czerwieni, są najbardziej wrażliwe na zmiany temperatury, a z kolei słabą wrażliwość na temperatury wykazują diody niebieskie. Ta właściwość diod niebieskich jest bardzo korzystna w przypadku wykorzystania ich do wytwarzania światła białego z pomocą luminoforów. Różny charakter zależności intensywności od temperatury dla diod emitujących kolory podstawowe RGB jest problematyczny w przypadku źródeł światła białego wykorzystujących mieszanie barw podstawowych. W konsekwencji zmiana temperatury otoczenia, w której pracuje lampa RGB wprowadza zmiany w temperaturze barwy emitowanego światła. Zapobieganie temu zjawisku wymaga stosowania układów elektronicznych, które tak sterują diodami, że temperatura bieli wymieszanego światła jest stała. Jest to jedna z głównych wad źródeł światła białego RGB.

Oprócz jasności diody LED od temperatury otoczenia zależy również szerokość przerwy zabronionej pomiędzy pasmami przewodnictwa w półprzewodniku. Prowadzi to do dwóch widocznych zmian: długości emitowanych fal świetlnych (zmienia się kolor) oraz do zmiany nominalnego napięcia przewodzenia. Zmiany te są na ogół niewielkie, ale w niektórych zastosowaniach diod LED należy również o nich pamiętać, gdyż jak wiadomo niewielkie zmiany napięcia zasilającego diodę LED prowadzą do znaczącego wzrostu prądu diody.

Czas życia diod pracujących z wyższą temperaturą ulega skróceniu. Diody LED nie optymalizowane termicznie wykazują szybszą degradację strumienia świetlnego w miarę upływającego czasu. Jeżeli chcemy zaprojektować źródła światła o czasie życia 50 tysięcy godzin, to trzeba brać pod uwagę konieczność stosowania zaawansowanego zarządzania ciepłem.

Sprawność odprowadzanie ciepła z diod LED zależy od rezystancji termicznej, jaka występuje pomiędzy chipem diody i obudową diody, pomiędzy obudową diody i radiatorem oraz pomiędzy radiatorem, a powietrzem. Poszczególne rezystancje termiczne zawsze powinny być możliwie małe, gdyż wówczas ciepło szybciej jest rozpraszane, a temperatura chipu jest mniejsza. Całkowita rezystancja termiczna jest zwykłą sumą poszczególnych rezystancji. Jakkolwiek wszystkie rezystancje mają wpływ na sumaryczną rezystancję termiczną, to jednak najważniejsza jest rezystancja termiczna pomiędzy chipem diody, a jej obudową. Jeżeli jest ona duża, to na nic zdadzą się wymyślne zabiegi i gigantyczne radiatory – chip będzie się przegrzewać. Na wartość tej rezystancji mają wpływ jedynie producenci diod i to oni powinni zapewnić odpowiednio niską jej wartość. Chipy diod LED dużych mocy są montowane w obudowach w taki sposób aby maksymalizować odprowadzenie ciepła. Przykładowo dioda XLamp produkcji CREE ma chip zamontowany bezpośrednio na płytce, która ma bardzo wysoką przewodność cieplną i styka się całą powierzchnią z podłożem, na którym montowana jest dioda. Diody Luxeon firmy Lumileds posiadają wbudowany metalowy radiator (slug), który również pełni rolę przenoszenia ciepła do podłoża. Zarówno chipy diody XLamp, jak i diody Luxeon są pokrywane specjalnym żelem silikonowym, który także pełni rolę rozpraszającą ciepło w obudowie diody.

Rys. 2. Montaż chipu diody LED mocy w obudowie ma wpływ na rozpraszanie ciepła: a) przekrój przez diodę XLamp (źródło: CREE) b) przekrój przez diodę Luxeon

(źródło: Lumileds)

Większość diod LED mocy jest fabrycznie wyposażana w niewielki radiator, który zapewnia odprowadzenie ciepła na tyle, by chip nie uległ uszkodzeniu. Fabryczne radiatory są wykonywane w kształtach okrągłych, prostokątnych lub heksagonalnych. Możliwe jest jednak zamawianie i montaż diod LED na radiatorach o dowolnych kształtach i wymiarach dostosowanych do aktualnych potrzeb producenta oświetlenia . Zalecane jest zastosowanie jeszcze jednego dodatkowego zewnętrznego radiatora. Radiatorem zewnętrznym może być profesjonalna aluminiowa lub miedziana konstrukcja (rys. 4a), jak również może być to metalowa część oprawy, w której są zainstalowane diody LED. Pomiędzy radiatorami dobrze jest umieścić silikonowe podkładki o wysokim przewodnictwie cieplnym lub posmarować stykające się płaszczyzny specjalnym smarem zwiększającym przewodność cieplną. Dodatkowe radiatory są koniecznością w przypadku matryc chipów LED (rys. 3a). W ich przypadku nie zaleca się ich włączania bez uprzedniego dołączenia radiatora. Nie zastosowanie się do tych wskazówek może spowodować, że matryca zaświeci tylko raz.

Rys. 3. Zarządzanie ciepłem diod LED – a) matryca diod LED wykonana na podłożu z ceramiki LTCC-M;
b) matryca diod LED wykonana na podłożu ceramicznym w obudowie tranzystora mocy typu T0-5 z dołączonym radiatorem.

Większość producentów diod LED mocy, którzy liczą się na rynku diod LED, wydaje specjalne dokumentacje, które instruują jak zażądać ciepłem, korzystając z ich diod. Część producentów diod oferuje także w swej ofercie radiatory, które są optymalizowane pod kątem zastosowania z diodami ich produkcji (rys. 3b). Inni z kolei nawiązują współprace na tym polu z wyspecjalizowanymi firmami dostarczającymi radiatory. Radiatory nie zawsze wyglądają estetycznie. Na szczęście nie jest to regułą i w miarę upływającego czasu pojawiają się radiatory o ciekawych i intrygujących kształtach. Bardzo obiecującym rozwiązaniem jest produkowanie oprawek oświetleniowych, które oprócz funkcji estetycznych pełnią jednocześnie funkcje radiatora i odbłyśnika. Takie rozwiązanie pokazano na rys. 4b.

Rys. 4. Chłodzenie diod LED – a) prototypowa matryca LED 1200lm (źródło: CREE 2003r.);b) metalowa oprawka diody LED stylizowana na kształt lampki halogenowej typu MR-16 (wymiennik) pełniąca jednocześnie funkcję radiatora

(źródło: Internet)

Większość ciepła powstającego w diodach LED jest rozpraszane w wyniku konwekcji przez podłoża, na którym montowane są diody LED. Podłoża te powinny, więc charakteryzować się jak największym przewodnictwem cieplnym oraz możliwością dołączenia zewnętrznego radiatora metalowego. Diody LED mocy montuje się na trzech rodzajach podłoży: metalowo-ceramicznych MCPCB, metalowo-dielektrycznych MDPCB oraz standardowych epoksydowo-szklanych FR-4. Podłoża MCPCB i MDPCB są podłożami najczęściej stosowanymi z diodami mocy. Oba rodzaje zbudowane są według podobnej zasady – na płytach aluminiowych bądź miedzianych nanoszona jest cienka warstwa ceramiki lub innego dielektryka o bardzo dobrej przewodności cieplnej. Następnie płyta pokrywana jest warstwą miedzianą, w której później wytrawia się odpowiedni układ elektryczny i ścieżki przewodzące. Na koniec całość jest pokrywana jeszcze jedną warstwą maski lutowniczej, w której są pozostawione otwory w miejscach, do których lutowane są diody LED oraz inne elementy elektroniczne. Podłoża MCPCB lub MDPCB mogą być bezpośrednio montowane na zewnętrznych radiatorach i diody na nich montowane mają zapewnione optymalne chłodzenie. Dużą zaletą tej metody jest to, że do wytwarzania z nich obwodów drukowanych wykorzystywana jest ta sama, prosta technologia, która jest wykorzystywana przy produkcji zwykłych podłoży PCB. Na podłożach tego typu montuje się diody LED typu emitery mocy (bez fabrycznego radiatora), diody Power SMD oraz diody SMD PLCC. Podłoża na bazie płyt metalowych pozwalają na zwiększenie upakowania diod LED, co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia się rozmiarów opraw oświetleniowych i ich ceny. Dodatkowo bliskie upakowanie diod LED zmniejsza niekorzystne efekty świetlne wynikające z tego, że diody LED są punktowymi źródłami światła. Zaletą podłoży MDPCB jest to, że mogą mieć trójwymiarowe kształty – można przykładowo wykonać podłoże w kształcie pierścienia lub kostki, jak i wielu innych figur geometrycznych 3D.

Rys. 5. Podłoża MDPCB są dostępne w ofercie firmy LEDIKO – a) przykładowe podłoża wykonane na bazie materiału MDPCB, b) wielowarstwowa płytka MDPCB

Pomimo dostępności wymienionych powyżej podłoży metalowo-ceramicznych oraz metalowo-dielektrycznych o wysokiej sprawności rozpraszania ciepła diody LED nadal często montowane są na zwykłych podłożach szklano-epoksydowych FR-4. Wynika to z trzech powodów. Po pierwsze jedynie te podłoża nadają się do montażu przewlekanego, a duża cześć produkowanych diod LED, to diody właśnie tego typu. Po drugie podłoża klasyczne są blisko 2-4 krotnie tańsze. Po trzecie dostępność do tych podłoży jest powszechna. Stosując jednak i te podłoża można odpowiednio zadbać o thermal management. Podstawowym zabiegiem, jaki należy stosować to maksymalizowanie rozmiarów kontaktów i szerokości ścieżek. W ten sposób zwiększamy powierzchnie metalizacji, która rozprowadzi ciepło po całej powierzchni płytki. Lepiej jest też korzystać z laminatów, które mają możliwie najgrubszą warstwę miedzi. Dobrym zwyczajem jest również pozostawianie otworów w masce lutowniczej nie tylko ponad kontaktami, ale również nad ścieżkami i polami miedzianymi. Dzięki temu w procesie lutowania na fali odkryte ścieżki i pola miedziane zostaną również pokryte lutowiem, a w konsekwencji doprowadzi to do zmniejszenia się rezystancji cieplnej pomiędzy płytką a powietrzem. W przypadku jednostronnego montażu diod SMD można stosować radiator przymocowany do niewykorzystywanej strony podłoża. Dobrym rozwiązaniem w przypadku montażu diod LED mocy na podłożach z materiału FR-4 są otwory termiczne, które można wykonywać bezpośrednio pod kontaktem termicznym diod. Izolowane kontakty termiczne posiadają np. diody XLamp lub diody Luxeon. Dzięki takiemu rozwiązaniu można wyprowadzać ciepło na spodnią cześć płytki, do której z kolei można zamontować zewnętrzny radiator. Metoda ta jest dobra i ekonomiczna, aczkolwiek nie tak sprawna, jak zastosowanie podłóż na bazie płyt metalowych.

W środowisku hobbystów diod LED powstała dyscyplina (podobna do podkręcania częstotliwości procesorów w komputerach) polegająca na schładzaniu diod dużych mocy do maksymalnie niskich temperatur, w celu otrzymania jak największej światłości. Prócz radiatorów stosuje się aktywne metody chłodzenia w postaci wiatraczków, chłodzenia wodą i ogniwami Peltier’a. Jest możliwe, że te aktywne metody już wkrótce znajdą zastosowanie do chłodzenia opraw z diodami LED. Zwłaszcza w tych zastosowaniach, w których najbardziej liczy się nie energooszczędność, a natężenie światła i niezawodność działania (np. oświetlenie ostrzegawcze).

Szczegółowych informacji na temat podłoży MDPCB do diod LED mocy można zasięgnąć w firmie LEDIKO. Zapraszam do kontaktu. Odpowiadamy na wszelkie pytania.

Rys. 6. Bardzo efektowna „idealna” aplikacja dla diod LED –zamrożone w kostce lodu. Wychodzi im to z pewnością „na zdrowie" :)