Termikus méretezés LED-es világítástechnikai rendszerekhez a Bergquist Thermal Solutions megoldásaival A fénykibocsátó diódák (LED-ek) már jó ideje részét képezik mindannyiunk mindennapi életének, hiszen mobiltelefonjaink, szórakoztatóelektronikai cikkeink, számítástechnikai eszközeink és egyéb, elektronikai tömegcikkeink elképzelhetetlenek lennének LED-ek nélkül

Mivel e termékek döntő többségénél az életciklus rövid, a LED-ek védelme nem volt szempont, hiszen maga a fő termék már bőven azelőtt életciklusa végére ért vagy elavulttá vált, mielőtt a LED-ekkel bármi probléma lett volna. Nem ez a helyzet azonban az általános célú, LED-es világítástechnika esetében...

A LED-technikában végbement technológiai fejlődéssel a LED-ek általános célú fényforrásként is egyre versenyképesebbé válnak az izzószálas, fénycsöves és halogén technikákon nyugvó termékekkel, azonban a keletkező hőmennyiség miatt a LED-ek termikus védelme immár feltétlenül szükségessé vált. A 3 ... 5 W teljesítményű LED-ek ma már teljesen szokványosnak számítanak, az ipari szakemberek szerint a következő egy-két évben a 10 W-os teljesítményű LED-ek megjelenésére is mindenképp számítani lehet. Az 1 W-nál nagyobb teljesítményű LED-ek szinte kivétel nélkül a felületszerelési technológiát támogató áramköri kivitelben (SMD-ként) kaphatóak, mivel a furatszerelésnél használt, chiphez vezető, axiális kivezetések nem lennének képesek a hő kellően gyors elvezetésére. A teljesítmény-LED-eknél a standard, kellő hőelvezetést biztosító tokozási megoldásként a CoB (Chip-on-Board), flip-chip és néhány egyéb, de egyaránt kellően jó termikus tulajdonságokkal rendelkező változatok terjedtek el. Az 1. ábra összeveti ugyanazon LED fényteljesítményét három különböző áramköri hordozónál.

A hőmérséklet befolyásoló hatása
A LED-ek által kibocsátott fény színe (hullámhossza) a chiphőmérséklet függvényében változik: ha a hőmérséklet nő, az eszközt elhagyó fénynyaláb (mint elektromágneses hullám) hullámhossza szintén nő. Ez a jelenség kiemelt fontossággal kezelendő fehér fény esetén, amelynél az emberi szem a kismértékű változás észlelésére is képes. Ha nagy teljesítményű LED-eket mátrixos elrendezésben alkalmazunk, a termikus ellenállás konzisztens változása egyik chipről a másikra konzisztens színkibocsátást eredményez a világítótestnél. A Bergquist-féle Thermal Clad áramköri hordozó (lásd 2. ábra) FR-4-hez képest relatív alacsony termikus ellenállása miatt a chip hőmérsékletét kevéssé befolyásolja a p-n átmenet és tokozás közötti termikus ellenállás változása, amely az eutektikus forrasztási vagy epoxiragasztós chiprögzítésnél jelentkezhet.
Arra is van lehetőség, hogy a chipeket jó termikus méretezés alkalmazásánál sűrűbben helyezzük el, a hőmérsékleti hatás kiküszöbölésével. A teljesítmény-LED-ek fénykibocsátása és becsült élettartama nagyban függ a LED-ek termikus menedzsmentjétől. A LED által megtermelt hőmennyiséget a Thermal Clad IMS¹ gyorsan átviszi az alumínium alaplemezre, és jelentősen javítja a LED teljesítményét és élettartamát. Az 1. táblázat a Bergquist vállalat Thermal Clad IMS termék-főváltozatok műszaki paramétereit foglalja össze.
A teljesítmény-LED-ek élettartamának végét állandó áramú, nyitóirányú működtetés esetében általában a fénykibocsátás névlegeshez képest 50%-osra való visszaesése jelenti. Megfelelő termikus méretezéssel a teljesítmény-LED-ek élettartama a 100 ezer üzemórát is meghaladhatja. A hatékony termikus menedzsment lehetővé teszi, hogy a LED-ekre nagyobb nyitóirányú áramot kapcsoljunk, amely végeredményben nagyobb fénykibocsátást jelent, és lehetőséget biztosíthat arra, hogy a kívánt fényteljesítményt kevesebb LED felhasználásával érjük el. A kisebb üzemi hőmérsékletű világítótest ekvivalens teljesítménynél nagyobb, 1 chipre eső fénykibocsátást jelent.

Az áramköri hordozók szerepe
Az IMS és a standard FR-4 hordozók használata teljesítmény LED-es alkalmazásokban a legelterjedtebb. A Bergquist-féle Thermal Clad IMS vékony, jó hővezető tulajdonságú, alumínium- vagy réz- anyagú hordozóhoz kötött réteg (lásd ismét 2. ábra). A Thermal Clad kiváló termikus teljesítményének titka a dielektrikum-rétegben rejlik, amely elektromos szigetelőréteg az alapfém és az áramköri huzalozási pályákat kialakító fólia között helyezkedik el, és nagy termikus vezetőképességet biztosít. Más gyártók dielektrikum-rétegként prepreget használnak, amelyek termikus teljesítménye messze elmarad ettől, és végeredményben nem teszi lehetővé a kedvezőbbnek tekinthető üzemi hőmérséklet és fényteljesítmény elérését a késztermék-LED világítótestnél. A Thermal Clad áramköri hordozó anyagok a Bergquist kínálatában háromféle termikus vezetőképességű változatban érhetők el: ezek a HT (High Temperature), MP (Multi-Purpose), valamint Low Thermal Impedance (LTI) típusnevekre "hallgatnak", és elnevezésükhöz híven nagy hőmérsékletű, általános célú, végezetül pedig alacsony termikus impedanciájú alkalmazásra javasolják használatukat. A 3. ábra háromféle áramköri hordozó termikus ellenállásának alakulását mutatja a kontaktusfelület-méret alakulásának függvényében.

Az áramköri tokozás szerepe, alkalmazás és megoldások
A teljesítmény-LED-ek termikus menedzsmentje többféle áramkör-tokozási változattal megvalósítható. A nagy teljesítményű LED-eknél a legnagyobb termikus ellenállású útvonal egyben a legkritikusabb is. A gyakorlat azt mutatja, hogy a termikus ellenállás az FR-4 helyett a Thermal Clad használatával hatékonyan a kedvező korlátokon belül tartható. A 4. ábra a hőátvitel irányát mutatja egy áramköri hordozóra szerelt, nagy teljesítményű LED-nél.
A növekedő fénykibocsátású és teljesítményű LED-eknek köszönhetően minden bizonnyal új korszak köszönt be a világítástechnikában, hiszen már most megfigyelhető, hogy egyre többféle világítástechnikai alkalmazásba törnek be a LED-ek és válnak preferált fényforrássá. A LED-technológia fejlődése lassacskán lehetővé tette, hogy a LED-es fényforrások költséghatékony és racionális alternatívái legyenek az izzószálas, fénycsöves és halogén lámpatesteknek, jelentős lehetőségeket és kihívásokat adva a LED-gyártóknak és rendszerintegrátoroknak. A teljesítmény-LED-ek tokozása is sokat fejlődött az elmúlt években, és - igazodva a megnövekedett disszipációs követelményekhez - egyre több, kedvezőbb termikus ellenállású tokozási változat támogatja a hosszú élettartamú, nagy megbízhatóságú, LED-es fényforrások kifejlesztését. Az 5. ábra termikusan optimalizált tokozással készre szerelt LED-ekre mutat példát, a 6. ábra pedig négyféle tokozási kivitelt ábrázol topológiával együtt.
A termikus menedzsmentmegoldások és az innovatív tokozási megoldások kombinációjával jelentős előrelépés érhető el a fénykibocsátás, minőség és élettartam terén. A Bergquistet ma a nagy teljesítményű LED-ek termikus megoldásainak egyik legelismertebb fejlesztőjeként tartják számon, szolgáltatásaival lefedi a termékfejlesztést és a szaktanácsadást is. A vállalat szolgáltatáskínálatának szélessége és szakértelmének mélysége segít abban, hogy a fejlesztés a legkevésbé fáradságos legyen.

LED-korszak: új, fényesebb hajnal virrad!
Most, hogy a teljesítmény-LED-ek korábban soha nem látott fénykibocsátásra képesek és kiváló hatásfokkal üzemelnek, sok, mindennapi életünk szerves részét képező termékben kaptak helyet. Bár ma a LED-ek kezdeti, bekerülési költsége még magasabb, számos alkalmazásban bebizonyosodott már, hogy hosszú távon ezek jelentik a legnagyobb energiahatékonyságú és legalacsonyabb energiaköltségű világítási alternatívát.
A gyártók már végfelhasználói és egyéb célokra is gyártanak teljesítmény-LED-es világítótesteket a világ minden táján. A Bergquist termékei a hőtermelés okozta problémák hatékony csökkentésével hozzájárulnak ahhoz, hogy a LED-ek potenciális előnyei közül a lehető legtöbbet és legteljesebb mértékben használhassunk ki. A cég termikus menedzsment­megoldásai kiváló szolgálatot tesznek a teljesítmény-LED-ek világítási célú felhasználásában orvosi, katonai, jelzéstechnikai, szállítmányozási, repüléstechnikai, járműipari, biztonságtechnikai, szórakoztatóipari, otthoni, közterületi stb. alkalmazásokban egyaránt.
A teljesítmény-LED-ek használati lehetőségei folyamatosan bővülnek. A világ vezető autógyártó vállalatai immár nemcsak a járművek belterében és féklámpáinál, hanem fényszóróként is képesek a LED-es világítástechnika előnyeinek kihasználására. A Bergquistnél használt, szilikonmentes anyagok kiváló kompatibilitást biztosítanak gépjárműves és vízszint alatti felhasználás esetén is. A rézalapú Thermal Clad és a szilikonmentes Gap Pad TIM² használatával például az UL-szervezet vonatkozó követelményei is kielégíthetőek víz alatti (pl. uszodai) világításhoz. A termikus interfész és hordozókombináció helyes megválasztásával gyors és hatékony rendszerfejlesztés végezhető, amelyhez a Bergquist egyállomásos beszállítást biztosít.

A termikus problémák gyors és hatékony megoldása
Ha kétségei vannak a teljesítmény-LED-es világítástechnika alkalmazása felől, adjon megbízást egy szakértőnek a termikus menedzsment területéről, aki segítséget nyújt a LED-ek optimális kihasználásában! A Bergquist tapasztalata a termikus méretezésben és kipróbált szolgáltatásai hatékony segítséget nyújtanak ilyen esetekben, amely felbecsülhetetlen értékű támogatás ezen a gyorsan fejlődő piacon.

1: Insulated Metal Substrate: szigetelt fémhordozó
2: Thermal Interface Material: nagy hővezető képességű interfészanyag

A Bergquist honlapja