Теплоотвод в светодиодных устройствах: что скрывается за значениями теплопроводности

Предметом данной статьи является обсуждение применения этих разработанных химических продуктов в области терморегулирования, особенно в быстро растущей светодиодной промышленности. Как все мы знаем, светодиоды присутствуют во многих электронных устройствах уже много лет. Более поздние разработки в этой отрасли привели к широкому применению светодиодов во всех видах освещения, вывесок и бытовых приборов, и это лишь некоторые из применений. Предлагая альтернативы галогенным лампам, лампам накаливания и флуоресцентным системам освещения как для внутреннего, так и для наружного применения, возможности для светодиодов кажутся безграничными. Светодиоды обладают преимуществами по сравнению с традиционными формами освещения 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.

Хотя светодиоды значительно более эффективны, чем традиционные формы освещения, они все же выделяют тепло. Это тепло может отрицательно влиять на светодиоды и, следовательно, должно регулироваться, чтобы обеспечить реализацию истинных преимуществ этой технологии. Светодиоды обычно 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 светодиодом. 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.

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. Следовательно, повышение рабочей температуры может оказать восстанавливаемое влияние на свойства светодиода, однако, если достигается чрезмерная температура перехода, особенно выше максимальной рабочей температуры светодиода (~ 120-150 ° C), могут произойти необратимые повреждения, что приведет к полному отказу. Рабочая температура напрямую связана со сроком службы светодиода; чем выше температура, тем короче срок службы светодиода. 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, однако 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), 
- излучение (тепло, передаваемое через электромагнитное поле).
Излучение, как правило, оказывает очень незначительное влияние на теплопередачу светодиодных систем, поскольку площади поверхности относительно невелики, поэтому здесь нас больше всего интересуют принципы проводимости и конвекции. Проводимость относится к передаче тепла на светодиодах, её 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 увеличиваться 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 используются в светодиодных устройствах и крепятся к задней части компонента. В идеале эти сопрягаемые поверхности должны быть идеально 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, и поэтому необходимо выбрать правильный тип теплопроводного материала, чтобы обеспечить достижение 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, такие как прокладки для заполнения зазоров и материалы со сменой агрегатного состояния, также применяются, когда на границе требуется тонкопленочная подложка. Во время процесса 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 ° С 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. Это может быть связано с рядом факторов, в том числе с требованиями к применению или с проблемами, возникающими в процессе очистки или нанесения клея. Такие 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 может привести к сбоям в электронных приложениях. Electrolube разрабатывает продукты из сырья, специально разработанного 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.

Другим вариантом управления передачей тепла от электронных устройств является использование теплопроводящей герметизирующей смолы. Эти продукты предназначены для защиты устройства от воздействия окружающей среды, а также 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 использоваться для герметизации устройства сзади, крепления устройства к корпусу, а также могут помочь отражать свет обратно изнутри устройства, в зависимости от выбранного цвета. Инкапсулирующие смолы также включают использование теплопроводящих наполнителей, однако базовая смола, отвердитель и другие используемые добавки могут быть изменены, чтобы обеспечить широкий спектр вариантов, включая эпоксидную, полиуретановую и силиконовую химию.

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 также может соответствовать этой гибкости при низких температурах, а также обеспечивает превосходные характеристики при высоких температурах, значительно превосходя другие доступные химические составы. Однако, силиконовые материалы являются более дорогими. Эпоксидные системы очень прочные и обеспечивают отличную 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 может создать широкий спектр продуктов с индивидуальными свойствами для разных применений, 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. Разные параметры могут быть более критичными для конкретных устройств, и одного значения может быть 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, является обратной величиной теплопроводности. Он учитывает толщину поверхности и, хотя он 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 использовался только тонкий слой этого материала; увеличение толщины только увеличит тепловое сопротивление в этом случае. Следовательно, меньшие толщины и более высокие теплопроводности дают наибольшее улучшение теплопередачи. Однако, в некоторых случаях, использование материала с более высокой объемной теплопроводностью может привести к уменьшению контактной поверхности, и, следовательно, никакого улучшения не будет достигнуто.

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. Следовательно, повышение рабочей температуры может оказать восстанавливаемое влияние на свойства светодиода, однако, если достигается чрезмерная температура перехода, особенно выше максимальной рабочей температуры светодиода (~ 120-150 ° C), могут произойти необратимые повреждения, что приведет к полному отказу. Рабочая температура напрямую связана со сроком службы светодиода; чем выше температура, тем короче срок службы светодиода. 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.

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, поэтому 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 для выбора продукта, заключается в том, что существует ряд различных доступных методов. Значительные вариации значений теплопроводности для одного и того же продукта могут быть достигнуты с использованием различных методов испытаний или параметров. Это может 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. Electrolube использует версию метода теплового потока, которая измеряет оба эти значения отдельно, давая гораздо более точное измерение объемной теплопроводности. Независимо от того, что используется, важно, чтобы продукты сравнивались с использованием одного и того же метода 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 приведут к снижению скорости рассеивания тепла. Для интерфейсных материалов вязкость продукта или минимальная толщина, возможная для нанесения, будет сильно влиять на тепловое сопротивление, и, таким образом, соединение с высокой теплопроводностью и высокой вязкостью, которое не может быть равномерно распределено по поверхности, может иметь 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 и на следующем графике ниже. Он показывает разность потенциалов в рассеивании тепла путем измерения температуры используемого тепловыделяющего устройства. Эти результаты были основаны на работах, выполненных конечным пользователем, где все продукты представляли собой материалы для термоинтерфейса, нанесенные одним и тем же методом, с одинаковой толщиной.

Таблица 2. Сравнение эффективности материалов с различной теплопроводностью

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 приведенные выше при 1,4 Вт / м К. Причиной этого может быть то, что метод обработки не подходит для продукта, продукт не прост в применении или, возможно, продукт не предназначен для этого конкретного применения. Безотносительно причины это подчеркивает важность метода применения продукта, а также выбора продукта.

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 этих двух свойств эти продукты обеспечивают максимальную эффективность рассеивания тепла, сводя к минимуму тепловое сопротивление. Эта 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 также производит ряд продуктов, отличных от терморегулирующих материалов. Такие продукты включают в себя 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 этой популярной технологии.