Теплоотвод в светодиодных устройствах: что скрывается за значениями теплопроводности

Предметом данной статьи является обсуждение применения этих химических продуктов в области терморегулирования, особенно в быстро растущей светодиодной промышленности. Как все мы знаем, уже много лет светодиоды присутствуют во многих электронных устройствах. Более поздние разработки в отрасли привели к широкому распространению светодиодов во всех видах освещения, вывесок и бытовых приборов, и это лишь некоторые из применений (рис. 1). Предлагая альтернативы галогенным лампам, лампам накаливания и флуоресцентным системам как для внутреннего, так и для наружного освещения, светодиоды, кажется, имеют безграничные возможности. Светодиоды обладают преимуществами по сравнению с традиционными вариантами с точки зрения адаптивности, предоставляя большую свободу дизайна из-за малого необходимого пространства и исключительно долгого срока службы, что делает их экономически эффективным решением для многих применений. Они также значительно более эффективны, поскольку преобразуют большую часть энергии в свет и тем самым сводят к минимуму выделяемое тепло.

Рис. 1. Светодиодное освещение в автомобиле

Хотя светодиоды значительно более эффективны, чем традиционные формы освещения, они все же выделяют тепло, которое может отрицательно влиять на светодиоды и, следовательно, должно регулироваться, чтобы обеспечить реализацию истинных преимуществ данной технологии. Обычно светодиоды классифицируются по цветовой температуре и доступны в огромном количестве цветовых вариантов (рис. 2). При изменении рабочей температуры светодиода также происходит изменение цветовой температуры; например, при белом свете повышение температуры может привести к более теплому цвету самого прибора. Кроме того, если на светодиодах в одной и той же матрице присутствует разница в температурах матрицы, то может возникать разница цветовых температур, что влияет на качество и внешний вид устройства.

Рис. 2. RGB светодиодное устройство

Поддержание правильной температуры матрицы светодиодов может не только продлить срок службы, но и привести к увеличению количества света, и, соответственно, для достижения желаемого эффекта может потребоваться меньшее количество светодиодов. Таким образом, повышение рабочей температуры оказывает восстанавливаемое влияние на свойства светодиода, однако если достигается чрезмерная температура перехода, особенно выше максимальной рабочей температуры светодиода (~(+120…+150) °C), вероятны необратимые повреждения, что приведет к полному отказу. Рабочая температура напрямую связана со сроком службы светодиода: чем она выше, тем короче срок службы. Обеспечение эффективного управления температурным режимом, следовательно, гарантирует стабильное качество, внешний вид и срок службы светодиодных матриц и в свою очередь открывает возможности для дальнейшего применения теплопроводных материалов в этой постоянно развивающейся отрасли.

Говорить о принципах теплоотвода можно бесконечно, но в данной статье мы кратко рассмотрим основы: проводимость (тепло, передаваемое через твердую массу через прямой контакт, — закон Фурье), конвекция (передача тепла через движение жидкостей и газов — закон Ньютона) и излучение (тепло, передаваемое через электромагнитное поле). Излучение, как правило, оказывает очень незначительное влияние на теплопередачу светодиодных систем, поскольку площади поверхности относительно невелики, и поэтому здесь нас больше всего интересуют принципы проводимости и конвекции. Проводимость относится к передаче тепла на светодиодах, ее процесс происходит между светодиодом и радиатором, тогда как конвекция означает передачу тепла от радиатора к окружающему воздуху.

Закон охлаждения Ньютона гласит, что скорость потери тепла пропорциональна разнице температур между телом и окружающей средой. Следовательно, когда температура компонента увеличивается и достигает его равновесной температуры, скорость потери тепла в секунду будет равняться теплу, производимому в секунду внутри компонента. Поскольку тепло передается от компонента к его окружению на его поверхности, скорость рассеивания будет расти с увеличением площади поверхности. Именно здесь используются радиаторы — в зависимости от размера и формы радиаторы могут быть спроектированы так, чтобы обеспечить значительно увеличенную площадь поверхности для максимального рассеивания тепла. Радиаторы часто применяются в светодиодных устройствах и крепятся к задней части компонента. В идеале эти сопрягаемые поверхности должны быть абсолютно гладкими, что повышает эффективность теплопроводности, но обычно это невозможно. В результате на стыке устройства и радиатора будут присутствовать воздушные зазоры, что значительно снижает эффективность теплообмена.

Существует много способов улучшить термическое управление светодиодными продуктами, а потому необходимо выбрать правильный тип теплопроводного материала для обеспечения желаемых результатов по рассеиванию тепла. Материалы для теплового соединения, такие как теплопроводные составы, необходимы, чтобы удалить любые воздушные пространства, существующие между сопряженными поверхностями, и улучшить эффективность теплопроводности в соединении LED. Такие составы предназначены для заполнения зазора между устройством и радиатором и, в свою очередь, уменьшения теплового сопротивления на границе между ними. Это приводит к более быстрой потере тепла и более низкой рабочей температуре устройства. Отверждаемые продукты также могут быть использованы в качестве связующих материалов; примеры включают силиконовые RTV или эпоксидные соединения — выбор часто будет зависеть от требуемой прочности связи или диапазона рабочих температур. Твердые материалы, в частности прокладки для заполнения зазоров и материалы со сменой агрегатного состояния, тоже применяются, когда на границе необходима тонкопленочная подложка. Во время выбора продукта всегда важно задаться вопросом, требуется ли отверждаемый материал, чтобы помочь соединить радиатор на месте, или же неотверждаемый материал для термического соединения лучше подходит для доработки. Также доступны силиконовые и не содержащие силикона неотверждаемые термопасты; благодаря силиконовому базовому маслу силиконовые продукты имеют более высокий верхний температурный предел +200 °C и более низкую вязкость системы. Это приводит нас к следующей детали при выборе продуктов, поскольку использование продуктов на основе силикона или содержащих силикон может быть запрещено в некоторых случаях, что связано с рядом факторов, в том числе с требованиями к применению или с проблемами, возникающими в процессе очистки или нанесения клея. Подобные проблемы связаны с миграцией низкомолекулярных силоксанов. Эти летучие вещества могут снизить поверхностное натяжение субстрата, что делает их чрезвычайно трудными для очистки или прилипания. Кроме того, из-за их изолирующей природы миграция низкомолекулярных силоксанов приводит к сбоям в электронных приложениях. Electrolube разрабатывает продукты из сырья, специально предназначенные для электронной промышленности. Таким образом, силиконсодержащие продукты используются только тогда, когда низкомолекулярные фракции контролируются и поддерживаются на абсолютном минимуме. В качестве альтернативы предлагается ряд несиликоновых продуктов для крайних случаев.

Другой вариант управления передачей тепла от электронных устройств — использование теплопроводящей герметизирующей смолы (рис. 3). Данные продукты предназначены для защиты устройства от воздействия окружающей среды, для отвода тепла, выделяемого внутри устройства, в окружающую среду. В этом случае инкапсулирующая смола становится теплоотводом и отводит тепловую энергию от устройства. Такие продукты могут не только использоваться для герметизации устройства сзади, крепления устройства к корпусу, но и помочь отражать свет обратно изнутри устройства, в зависимости от выбранного цвета. Инкапсулирующие смолы предусматривают применение теплопроводящих наполнителей, однако базовая смола, отвердитель и другие добавки могут быть изменены, чтобы обеспечить широкий спектр вариантов, включая эпоксидную, полиуретановую и силиконовую химию.

Рис. 3. Заливка светодиодов компаундом

Различные варианты химии обеспечат 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 может соответствовать этой гибкости при низких температурах и обеспечивать отличные характеристики при высоких температурах, значительно превосходя другие доступные химические составы. Однако силиконовые материалы являются более дорогими. Эпоксидные системы очень прочные и обеспечивают оптимальную защиту в самых суровых условиях. Это жесткие материалы с низкими коэффициентами теплового расширения, и в некоторых случаях степень гибкости может быть сформулирована в продукте. Формулирование герметизирующих смол создает широкий спектр продуктов с индивидуальными свойствами для разных применений, и поэтому рекомендуется подробно обсудить данную тему 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. Разные параметры могут быть более критичными для конкретных устройств, и одного значения бывает недостаточно для выбора правильного продукта.

Теплопроводность является основным примером этого. Измеренная в Вт/м·К 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 использование одних только значений объемной теплопроводности не обязательно приведет к наиболее эффективной теплопередаче.

Тепловое сопротивление, измеренное в K·м²/Вт, представляет собой обратную величину теплопроводности. Оно учитывает толщину поверхности и, хотя зависит от контактных поверхностей и применяемых давлений, некоторые общие правила могут быть соблюдены, чтобы обеспечить минимальное значение теплового сопротивления и, таким образом, максимизировать эффективность теплопередачи. Например, металлический радиатор будет иметь значительно более высокую теплопроводность, чем теплоноситель, используемый на границе раздела, и поэтому важно, чтобы присутствовал только тонкий слой этого материала, поскольку в этом случае увеличение толщины лишь повысит тепловое сопротивление. Следовательно, меньшие толщины и более высокие теплопроводности дают максимальное улучшение теплопередачи. Однако в некоторых случаях материал с более высокой объемной теплопроводностью может привести к уменьшению контактной поверхности, а значит, никакого улучшения не будет достигнуто.

Пример этого различия может быть получен из сравнения термических соединений или паст и термических прокладок, как показано в таблице 1. Тепловые прокладки представляют собой твердые полимеризованные материалы фиксированной толщины, которые доступны с различными значениями теплопроводности. Термические соединения или пасты, как обсуждалось выше, являются неотверждаемыми соединениями, и в результате их вязкость может незначительно изменяться при повышении температуры. Это позволяет дополнительно снизить межфазное сопротивление. В случае термопрокладок для достижения адекватной границы раздела необходимы высокие давления, вот почему при использовании пасты и прокладки с одинаковой объемной теплопроводностью могут быть очень разные измерения теплового сопротивления и может возникать существенная разница.

Другая проблема, связанная с использованием одних только значений объемной теплопроводности при выборе продукта, заключается в том, что существует ряд различных доступных методов. Значительные вариации значений теплопроводности для одного и того же продукта могут быть достигнуты с помощью различных методов испытаний или параметров. Это способно привести к высоким 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. Компания Electrolube применяет версию метода теплового потока, которая измеряет оба значения отдельно, давая гораздо более точное измерение объемной теплопроводности. Независимо от используемого варианта, важно, чтобы продукты сравнивались по одному и тому же методу для получения значений объемной проводимости, и во всех случаях продукты должны быть проверены в конечном применении на предмет истинного отражения эффективного рассеивания тепла.

Это приводит нас к еще одному важному фактору при выборе продукции — применению материалов для термического контроля. Будь то герметизирующее соединение или материал интерфейса, любые зазоры в теплопроводящей среде вызовут снижение скорости рассеивания тепла. Для интерфейсных материалов вязкость продукта или минимальная толщина, возможная для нанесения, будет оказывать сильное влияние на тепловое сопротивление, и, таким образом, соединение с высокой теплопроводностью и высокой вязкостью, которое не может быть равномерно распределено по поверхности, получит более высокую теплопроводность. Сопротивление и более низкая эффективность рассеивания тепла по сравнению с продуктом с более низкой вязкостью — с более низким значением объемной теплопроводности. Для инкапсулирующих смол это можно выразить аналогичным образом: чем выше вязкость, тем труднее для смолы равномерно течь вокруг блока, и, следовательно, в заливочной смеси образуются воздушные зазоры, снижающие скорость рассеивания тепла. Важно, чтобы пользователи обращались к объемным значениям теплопроводности, контактному сопротивлению, толщине нанесения и его процессам, чтобы успешно достичь оптимальной эффективности теплопередачи.

Практический пример, подчеркивающий необходимость таких соображений, представлен в таблице 2.

Очевидно, что более высокое значение объемной теплопроводности, в данном случае 12,5 Вт/м·К, не обязательно приводит к более эффективному рассеиванию тепла по сравнению с продуктами с более низкими значениями, такими как 1,4 Вт/м·К. Причины этого могут быть следующими: метод обработки не подходит для продукта, продукт непрост в применении или, возможно, продукт не предназначен для данного конкретного применения. Безотносительно причины это подчеркивает важность метода применения продукта, а также его выбора.

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 улучшить свойства тепловых соединений. Это привело к получению соединений с пониженной вязкостью, с более высокой объемной теплопроводностью, и при сочетании обоих свойств такие продукты обеспечивают максимальную эффективность рассеивания тепла, сводя к минимуму тепловое сопротивление. Данная технология в настоящее время также была перенесена на герметизирующие составы, обеспечивающие продукты с более высокой загрузкой наполнителя и, таким образом, улучшенную теплопроводность в сочетании с улучшенной текучестью. Кроме того, Electrolube производит ряд продуктов, отличных от терморегулирующих материалов и содержащих защитные покрытия и герметизирующие смолы в оптически прозрачных форматах для применений, где требуется защита всего светодиода. Такие материалы еще раз подтверждают важность непрерывной разработки химических продуктов для удовлетворения сложных быстрорастущих требований столь популярной технологии.