Светодиоды: как увеличить срок службы и повысить эффективность

Индустрия светодиодной техники — один из самых быстроразвивающихся рынков. Светодиоды присутствуют во многих электронных устройствах в течение долгого времени, а последние разработки в этой отрасли привели к их широкому использованию во всех типах осветительных приборов, вывесок и бытовой техники, и это лишь немногие из вариантов применения.

Являясь альтернативой галогенным лампам, лампам накаливания и флуоресцентным системам освещения как для внутреннего, так и для наружного применения, ожидается, что к 2020 году рост рынка только светодиодного освещения превратится в индустрию стоимостью 70 миллиардов долларов; рост с 18% до 70% за чуть более чем 5 лет. Рост объясняется преимуществами, которые предлагают светодиоды по сравнению с традиционными формами освещения с точки зрения универсальности, срока службы и эффективности. Они обеспечивают большую свободу проектирования, обеспечивают исключительно длительный срок службы, а также значительно более эффективны, т.к. преобразуют большую часть энергии в свет и, таким образом, сводят к минимуму выделяемое тепло.

Хотя светодиоды значительно более эффективны, чем традиционные средства освещения, они все же выделяют тепло. Это тепло может отрицательно влиять на светодиоды и, следовательно, должно регулироваться, чтобы обеспечить реализацию истинных преимуществ этой технологии. Обычно светодиоды подразделяются на цветовые температуры в огромном количестве цветовых вариантов. При изменении рабочей температуры светодиода также происходит изменение цветовой температуры. Например, при белом свете повышение температуры может при-вести к «более теплому» цвету, излучаемому светодиодом. Кроме того, если на светодиодах в одной и той же матрице присутствует разница в температурах кристалла, может возникать диапазон цветовых температур, что влияет на качество и внешний вид устройства (табл. 1).

Как показано на рис. 1, поддержание правильной температуры матрицы светодиодов может не только продлить срок службы, но и привести к увеличению количества света, и тогда для достижения желаемого эффекта может потребоваться меньшее количество светодиодов. Повышение рабочей температуры может оказывать восстанавливающее влияние на свойства светодиода, однако, если достигается чрезмерная температура перехода, особенно выше максимальной рабочей температуры светодиода (~120—150°C), светодиоду будет нанесен непоправимый ущерб, который может привести к полному отказу. Рабочая температура напрямую связана со сроком службы светодиода; чем выше температура, тем короче срок службы светодиода, как показано на графике времени жизни Cree XLamp (рис. 1). Это также верно для драйверов светодиодов, где срок службы драйвера можно определить по сроку службы электролитического конденсатора, и с помощью расчета можно определить, что для каждого падения рабочей температуры на 10°C срок службы конденсатора удваивается. Обеспечение эффективного управления температурным режимом обеспечит стабильное качество, внешний вид и срок службы светодиодных матриц и, в свою очередь, открывает возможность для дальнейшего применения в этой постоянно развивающейся отрасли.

Существует много способов улучшить термическое управление светодиодными изделиями, и поэтому необходимо выбрать правильный тип теплопроводящего материала, чтобы обеспечить достижение желаемых результатов по рассеиванию тепла в конкретном устройстве. 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, уменьшения теплового сопротивления на границе между ними. Это повышает теплоотдачу и обеспечивает низкую рабочую температуру. Отверждаемые продукты также могут быть использованы в качестве связующих материалов, например силиконовые или эпоксидные компаунды — их выбор часто будет зависеть от требуемой прочности связи или диапазона рабочих температур. Другим вариантом управления теплоотдачей в электронных устройствах 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 компаунд становится теплоотводом и отводит тепловую энергию от устройства. Такие продукты могут использоваться для заливки платы позади, чтобы обеспечить теплоотдачу на корпус.

Различные составы смол обеспечивают спектр различных свойств, каждое из которых может быть важным в той или иной ситуации. Например, полиуретановый материал обеспечивает превосходную гибкость особенно при низких температурах, что является основным преимуществом по сравнению с эпоксидной системой. Силиконовая смола также может обладать гибкостью при низких температурах, а также обеспечивает превосходные характеристики при высоких температурах, значительно превосходящие другие доступные химические составы. Силиконовые продукты обычно дороже остальных. 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 в продукте может быть изменена. Формулирование герметизирующих смол может привести к созданию широкого спектра продуктов с индивидуальными свойствами для частных применений, поэтому рекомендуется подробно обсудить их применение с соответствующим поставщиком материалов.

Независимо от типа выбранного теплопроводного состава, 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 из них может быть недостаточно, чтобы выбрать правильный продукт. 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. Оно учитывает межфазную толщину и, хотя оно зависит от контактных поверхностей и приложенных давлений, можно следовать некоторым общим правилам, 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 соединения; увеличение толщины только увеличит тепловое сопротивление. Используя приведен-ную формулу (рис. 2), некоторые базовые расчеты могут дать примеры различий в тепловом сопротивлении, которое, вероятно, можно увидеть между термопастой, нанесенной при 50 мкм, и термопластом толщиной 0,5 мм. Следовательно, меньшая межфазная толщина и более высокая теплопроводность дают наибольшее улучшение теплопередачи.

Однако существует проблема использования одних только значений объемной теплопроводности или сравнения значений теплового сопротивления, указанных в технических паспортах продукта. Значительные различия в значениях теплопроводности и теплового сопротивления для одного и того же продукта могут быть достигнуты с использованием различных методов испытаний или их параметров. Это может привести к высоким значениям теплопроводности, которые при расчетах выглядят очень высокими, но при использовании резко снижают свою эффективность. Некоторые методы измеряют только сумму термического сопротивления материалов и контактного сопротивления материала. Electrolube же использует метод теплового потока, который измеряет оба эти значения отдельно, давая гораздо более точное измерение объемной теплопроводности. Испытание на тепловое сопротивление в идеале должно проводиться на установке с имитацией естественного применения, параметров расстояния и веса/давления или, в качестве альтернативы, с использованием сопоставимого метода, в котором определяется давление.

Это приводит нас к еще одному важному фактору при выборе продукции — применению материалов для терморегулирования. Будь то герметизирующее соединение или материал интерфейса, любые зазоры в теплопроводящей среде приведут к снижению скорости рассеивания тепла. Для термопроводящих 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 увеличивается. Electrolube предлагает специальные смолы, которые помогают снизить вязкость для простоты нанесения, в то же время поддерживая высокий уровень теплопроводности для эффективного отвода тепла.

Практический пример, подчеркивающий необходимость таких соображений, приведен в таблице 2. Он показывает разность потенциалов в рассеивании тепла путем измерения температуры используемого теплогенерирующего 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.

Совершенно 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 выше при 1,4 Вт/м К. Причина этого может заключаться в том, что способ обработки не подходит для продукта, из-за того, что продукт не прост в применении или, возможно, продукт не предназначен для этого конкретного применения и демонстрирует высокое термическое сопротивление по сравнению с другими продуктами испытания.

Оглядываясь на исходные данные о сроке службы в зависимости от температуры, можно сделать вывод о важности использования и правильного выбора материалов для терморегулирования. Возьмите продукт № 2, который снижает рабочую температуру на 20% (табл. 2). Если бы такое же процентное снижение было достигнуто для светодиодов, о которых говорилось выше, это привело бы к повышению эффективности за счет снижения рабочей температуры с 85°C до 68°C и аналогичным образом увеличению срока службы с 95 000 часов до 120 000 часов. Однако, при выборе продукта №4, достигается большее снижение рабочей температуры, что приводит к увеличению эффективности >3% и увеличению срока службы с 95 000 часов до 140 000 часов. Следовательно, путем выбора правильного продукта и использования наилучшего срока службы можно увеличить эффективность еще на 15—20% при использовании продукта № 4 вместо продукта № 2.

В следующем номере «Электротехнического рынка» мы продолжим говорить о светодиодных устройствах и расскажем, как правильно выбрать средство защиты для них, чтобы увеличить срок службы и производительность.