Продление срока службы светодиодов. Часть 1

Светодиодная индустрия принадлежит к числу самых быстрорастущих рынков. И хотя на протяжении последних лет светодиоды присутствуют во многих электронных устройствах, более поздние разработки в отрасли привели к их широкому распространению во всех типах решений — от вывесок до бытовой техники, впрочем, это лишь некоторые примеры из множества вариантов.

Несмотря на то что светодиоды значительно эффективнее, чем традиционные формы освещения, они все же выделяют тепло, которое может отрицательно влиять на светодиоды и, следовательно, должно регулироваться, чтобы обеспечить реализацию истинных преимуществ этой технологии. Обычно светодиоды классифицируются по цветовой температуре и доступны в огромном количестве цветовых вариантов. При изменении рабочей температуры светодиода также происходит изменение цветовой температуры; например, при белом свете повышение температуры может привести к более теплому цвету, излучаемому самим прибором. Кроме того, если на светодиодах в одной и той же матрице имеется разница в температурах матрицы, может возникать разность в диапазоне цветовых температур, что влияет на качество и внешний вид устройства.

Как показано в таблице 1, поддержание правильной температуры матрицы светодиодов не только продлевает срок службы, но и приводит к увеличению количества света, следовательно, для достижения желаемого эффекта может потребоваться меньшее количество светодиодов. Кроме того, повышение рабочей температуры оказывает восстанавливающее влияние на свойства светодиода, однако если достигается чрезмерная температура перехода, особенно выше максимальной рабочей температуры светодиода (~ +120…+150 °C), это приведет к полному отказу. Рабочая температура напрямую связана со сроком службы прибора: чем выше температура, тем срок короче. Это показано на графике времени жизни Cree XLamp (рис. 1) и также применимо к светодиодным драйверам, где срок эксплуатации устройства может быть получен из срока службы электролитического конденсатора. Путем расчета определяют, что для каждого падения рабочей температуры на 10 °C срок службы конденсатора удваивается. Эффективное управление температурным режимом, следовательно, обеспечивает стабильное качество, внешний вид и срок службысветодиодных матриц и, в свою очередь, открывает возможности для дальнейшего применения в этой постоянно развивающейся отрасли.

Рис. 1. График времени жизни Cree XLamp

Существует много способов улучшить термическое управление светодиодными продуктами, а потому необходимо выбрать правильный тип теплопроводного материала, чтобы обеспечить достижение желаемых результатов по рассеиванию тепла. Ассортимент продукции варьируется от теплопроводящих герметизирующих смол, обеспечивающих как рассеивание тепла, так и защиту окружающей среды, до теплоизоляционных материалов, используемых для повышения эффективности теплопроводности в соединении светодиодов. Такие составы предназначены для заполнения зазора между устройством и радиатором, а значит, и уменьшения теплового сопротивления на границе между ними. Это приводит к более быстрой потере тепла и более низкой рабочей температуре устройства. Продукты отверждения также могут применяться в качестве связующих материалов; примеры включают силиконовые RTV или эпоксидные соединения — выбор часто зависит от прочности соединения или требуемого диапазона рабочих температур.

Другой вариант управления передачей тепла от электронных устройств — использование теплопроводящей герметизирующей смолы. Эти продукты предназначены для защиты устройства от воздействий окружающей среды, а также для отвода тепла, выделяемого внутри устройства, в окружающую среду. В таком случае инкапсулирующая смола становится теплоотводом и отводит тепловую энергию от устройства. Такие продукты могут использоваться для инкапсуляции и прикрепления к светодиодному устройству и помогают отражать свет обратно изнутри устройства, в зависимости от выбранного цвета. Инкапсулирующие смолы предполагают применение теплопроводящих наполнителей, при этом базовая смола, отвердитель и другие дополнительные материалы изменяются при необходимости, чтобы обеспечить широкий спектр вариантов, включая эпоксидную, полиуретановую и силиконовую добавки.

Различные варианты химических составов предоставляют широкий диапазон свойств, и каждый из них должен быть рассмотрен в зависимости от требований конечного применения. Например, полиуретановый материал обеспечивает превосходную гибкость, особенно при низких температурах, что является основным преимуществом по сравнению с эпоксидной системой. Силиконовая смола также может соответствовать этой гибкости при низких температурах и обеспечивает превосходные характеристики при высоких температурах, значительно превосходя другие доступные химические составы. Силиконовые продукты обычно более дорогие. Эпоксидные системы очень прочные и создают отличную защиту в самых суровых условиях. Это жесткие материалы с низкими коэффициентами теплового расширения, в некоторых случаях степень гибкости может быть сформирована в продукте. Различное наполнение герметизирующих смол приводит к созданию широкого спектра продуктов с индивидуальными свойствами для разнообразных целей, и поэтому рекомендуется подробно обсудить их применение с соответствующим поставщиком материалов.

Независимо от типа выбранного продукта для терморегулирования, существует ряд ключевых свойств, которые также необходимо учитывать. Это могут быть довольно простые параметры, такие как рабочие температуры устройства, электрические требования или любые технологические ограничения — вязкость, время отверждения и т. д. Другие параметры более критичны для устройства, и одного значения может быть недостаточно для указания на правильный продукт. Теплопроводность является основным примером этого. Измеренная в Вт/мК теплопроводность отражает способность материалов проводить тепло. Значения объемной теплопроводности, найденные в большинстве технических описаний продукта, дают хорошее представление об ожидаемом уровне теплопередачи, позволяя сравнивать различные материалы. Однако акцент только на объемные значения теплопроводности не обязательно приведет к наиболее эффективной теплопередаче.

Тепловое сопротивление, измеренное в Kм²/Вт, является обратной величиной теплопроводности. Оно учитывает толщину поверхности, и хотя зависит от контактных поверхностей и применяемых давлений, некоторые общие правила могут быть соблюдены, обеспечивая минимальное значение теплового сопротивления и, таким образом, увеличивая эффективность теплопередачи. Например, металлический радиатор будет иметь значительно более высокую теплопроводность, чем теплоноситель, используемый на границе раздела, и поэтому важно использовать только тонкий слой этого соединения. Увеличение толщины в таком случае лишь повысит тепловое сопротивление. С помощью приведенной на рис. 2 формулы базовые расчеты могут дать некоторые примеры различий в тепловом сопротивлении. Его легко можно увидеть между термопастой, нанесенной слоем 50 мк, и термопластом толщиной 0,5 мм. Следовательно, меньшие межфазные толщины и более высокие теплопроводности максимально улучшают теплопередачу.

Однако существует проблема использования одних только значений объемной теплопроводности или сравнения значений теплового сопротивления, указанных в технических паспортах продукта. Определенные различия в значениях теплопроводности и теплового сопротивления для одного и того же продукта могут быть достигнуты с применением различных методов испытаний или параметров. Это может привести к определенным объемным значениям теплопроводности, которые при цитировании выглядят очень высокими, но при использовании резко снижают эффективность рассеивания тепла. Некоторые методы измеряют только сумму термического сопротивления материалов и контактного сопротивления материала/инструмента.

Рис. 2. Формула теплового сопротивления Electrolube

Electrolube использует версию метода теплового потока, которая измеряет оба значения отдельно, предлагая гораздо более точное измерение объемной теплопроводности (рис. 2). Испытание на тепловое сопротивление в идеале должно выполняться на фактической установке с использованием параметров расстояния и веса/давления или альтернативно, с применением сопоставимого метода, в котором определяется давление. Важно, чтобы продукты сравнивались по одному и тому же методу для получения значений объемной проводимости и термического сопротивления, и во всех случаях продукты должны быть испытаны в конечном применении для истинного отражения эффективного рассеивания тепла.

Рис. 3. Материалы Electrolube для защиты теплового интерфейса

Это приводит нас к еще одному важному фактору при выборе продукции — применению материалов для терморегулирования. Будь то герметизирующее соединение или материал интерфейса (рис. 3), любые зазоры в теплопроводящей среде приведут к снижению скорости рассеивания тепла. Для теплопроводящих герметизирующих смол ключом к успеху является обеспечение того, чтобы смола могла течь по всему блоку, в том числе в любые небольшие зазоры. Это помогает устранить любые воздушные зазоры и обеспечить отсутствие скоплений тепла по всему блоку. Чтобы достичь этого, смола должна иметь правильное сочетание теплопроводности и вязкости; обычно, когда теплопроводность увеличивается, вязкость также повышается. Electrolube предлагает специальные смолы (рис. 4), которые помогают снизить вязкость для простоты нанесения и в то же время поддерживают высокий уровень теплопроводности для эффективного отвода тепла.

Рис. 4. Смолы Electrolube

Для интерфейсных материалов вязкость продукта или минимальная толщина, возможная для нанесения, будет иметь большое влияние на тепловое сопротивление. Таким образом, соединение с высокой теплопроводностью и высокой вязкостью, которое нельзя равномерно распределить по поверхности, может иметь более высокую тепловую температуру и понизить эффективность распределения тепла по сравнению с продуктом с более низкой вязкостью и с более низким значением объемной теплопроводности. Важно, чтобы пользователи обращались к объемным значениям теплопроводности, контактному сопротивлению, толщине нанесения и процессам, чтобы успешно достичь оптимальной эффективности теплопередачи.

Практический пример, подчеркивающий необходимость таких рекомендаций, приведен в таблице 2. Он показывает разность потенциалов в рассеивании тепла путем измерения температуры используемого тепловыделяющего устройства. Эти результаты были основаны на работе, выполненной конечным пользователем, где все продукты представляли собой материалы для термоинтерфейса, нанесенные одним и тем же методом, при одинаковой толщине.

Очевидно, что более высокое значение объемной теплопроводности, в данном случае 12,5 Вт/мК, не обязательно приводит к более эффективному рассеиванию тепла по сравнению с продуктами с более низкими значениями, такими как приведенные выше при 1,4 Вт/мК. Причина может заключаться в том, что способ обработки не подходит для продукта. Это также может происходить потому, что продукт непростой в применении или, возможно, не предназначен для конкретного применения. Таким образом, пример демонстрирует высокое термическое сопротивление по сравнению с другими тестируемыми продуктами. Это подчеркивает не только важность применения продукта, но и его выбора, и, найдя правильный баланс параметров, можно достичь максимальной эффективности теплопередачи.

Опираясь на исходные данные о производительности светодиодов в зависимости от срока службы и используя приведенные выше результаты в качестве примера, можно сделать вывод о важности применения и правильного выбора материалов для терморегулирования. Возьмите продукт № 2, он снижает рабочую температуру на 20% в приведенном примере. Если бы подобное процентное снижение было достигнуто для светодиодов, о которых говорилось выше, это привело бы к повышению эффективности за счет снижения рабочей температуры с +85 до +68 °C и увеличения срока службы с 95 000 до 120 000 ч. Однако при сравнении этого продукта с продуктом № 4 большая эффективность достигается путем снижения рабочей температуры, что приводит к увеличению эффективности на 3% и увеличению срока службы с 95 000 до 140 000 ч. Следовательно, путем выбора правильного продукта и правильного его использования можно увеличить его срок службы еще на 15–20%, заменив продукт № 4 на продукт № 2.

С такими быстрыми достижениями в электронной промышленности и, в частности, в применении светодиодов, крайне важно, чтобы технология материалов также была направлена на удовлетворение постоянно растущих требований к рассеиванию тепла. Компания Electrolube разработала специальные технологии, позволяющие легко и эффективно улучшать способность обрабатывать терморегулирующие соединения. Это привело к получению соединений с пониженной вязкостью с более высокой объемной теплопроводностью, и при сочетании обоих свойств данные продукты обеспечивают максимальную эффективность рассеивания тепла, сводя к минимуму тепловое сопротивление. В настоящее время эта технология перенесена и на герметизирующие составы для продуктов с более высокой загрузкой наполнителя, что обеспечивает улучшенную теплопроводность в сочетании с улучшенным потоком. Кроме того, Electrolube выпускает ряд продуктов, отличных от терморегулирующих материалов. Среди них конформные покрытия и герметизирующие смолы в оптически прозрачных форматах, удобных для использования. Там необходима защита всего светодиода, что еще раз подтверждает важность непрерывной разработки состава химических продуктов для удовлетворения быстрорастущих требований рынка этой популярной технологии.

Окончание статьи.