Teplotní řízení LED diod: pohled nad rámec hodnot tepelné vodivosti

Speciálně navržené chemické výrobky se speciálním složením mají v elektronickém průmyslu široké využití v celé řadě aplikací. Během výroby DPS i při ochraně komponentů nebo kompletních zařízení se tyto výrobky staly základním faktorem při zajišťování výkonu a kvality elektronických zařízení.

Tématem tohoto článku je použití uvedených chemických výrobků pro aplikace teplotního řízení, především v rychle se rozvíjejícím odvětví LED diod. Jak všichni víme, LED diody jsou již po mnoho let součástí různých elektronických zařízení. Nedávný rozvoj v tomto odvětví vedl k rozšíření jejich použití do všech typů osvětlení, poutačů a domácích spotřebičů, abych jmenoval alespoň některé. Jako alternativa k halogenovým, žárovkovým a zářivkovým osvětlovacím systémům pro vnitřní i venkovní použití jsou možnosti LED diod zdánlivě nekonečné. Oproti tradičním formám osvětlení nabízejí LED diody výhody v oblasti adaptability – poskytují větší konstrukční volnost s ohledem na požadovaný omezený prostor a výjimečně dlouhou životnost – to vede u mnoha aplikací k ekonomicky příznivému řešení. Jsou také značně účinnější, protože přemění na světlo většinu elektrické energie a minimalizují tak tepelné ztráty.

Přestože jsou LED diody daleko účinnější než tradiční formy osvětlení, produkují určité teplo. Toto teplo může mít na LED diodu nepříznivý účinek, a proto je třeba ho mít pod kontrolou, abychom využili skutečné výhody této technologie. LED diody se obvykle dělí podle barevných odstínů a dodávají se v široké škále barevných variant. Se změnou provozní teploty LED diody dochází také ke změně barevného odstínu; například u bílého světla může zvýšení teploty vést k „teplejší“ barvě emitované LED diodou. Kromě toho, pokud se u LED diod v jednom poli objeví na čipech odchylky teplot, mohou LED diody vydávat různé odstíny barvy a ovlivnit tak kvalitu a estetický vzhled zařízení.

Udržení správné teploty čipu LED diody může nejen prodloužit její životnost, ale také vede k větší produkci světla. Tím pádem je k dosažení požadovaného efektu potřeba menšího počtu LED diod. Zvýšení provozní teploty má tedy na vlastnosti LED diod vratný vliv, ovšem pokud dosáhneme nadměrných teplot přechodu, především nad maximální provozní teplotu LED diody (~120–150 ˚C), může dojít k nevratným změnám a následně ke kompletnímu selhání. Provozní teplota přímo souvisí s životností LED diody; čím vyšší teplota, tím kratší životnost LED diody. Zajištění efektivního teplotního řízení tedy na jedné straně přinese stabilní kvalitu, vzhled a životnost polí LED diod a na druhé straně otevírá možnosti pro další aplikace v tomto stále se vyvíjejícím odvětví.

Principy tepelného přenosu bychom mohli probírat podrobněji, ale pro účely tohoto článku se omezíme na základní termíny. Přenos tepla vedením (teplo sdělené pevnou hmotou přímým kontaktem – Fourierův zákon), přenos tepla prouděním (přenos tepla pohybem kapaliny a par – Newtonův zákon) a zářením (teplo sdělené elektromagnetickým vlněním). Záření má typicky u LED systémů jen velmi malý vliv na přenos tepla, protože povrchové plochy jsou relativně malé. Proto nás nejvíce zajímají principy přenosu vedením a prouděním. Vedení tepla se týká přenosu tepla na přechodu LED diody, tzn. přenosem mezi LED diodou a chladičem, zatímco proudění popisuje přenos tepla z chladiče do okolního vzduchu.

Fourierův zákon ochlazování říká, že rychlost tepelné ztráty je úměrná rozdílu teplot mezi tělesem a jeho okolím. Jak se tedy teplota součástky zvyšuje a dosáhne rovnovážné teploty, bude rychlost tepelné ztráty rovna teplu vytvořenému v součástce za jednu sekundu. Protože teplo se ze součástky rozptýlí do okolí z jejího povrchu, zvyšuje se velikost tepelné výměny s rostoucí plochou povrchu. Zde se používají chladiče, které se liší velikostí a tvarem. Chladiče mohou být zkonstruovány tak, aby poskytovaly značně větší plochu povrchu pro maximalizaci tepelné výměny. Chladiče se často používají i u aplikací s LED diodami, kde jsou připevněny na zadní stranu součástky. V ideálním případě by tyto styčné povrchy měly být dokonale hladké, aby zvýšily účinnost vedení tepla, ale to obvykle není možné. Výsledkem je přítomnost vzduchových mezer na rozhraní zařízení a chladiče a značné snížení účinnosti přenosu tepla.

Existuje mnoho způsobů, jak zlepšit teplotní řízení produktů s LED diodami, a proto je třeba zvolit správný typ tepelně vodivého materiálu, abychom zajistili požadovanou výměnu tepla. Při diskuzi o výrobcích pro teplotní řízení bychom měli začít s materiály pro tepelné rozhraní, jako je například teplovodivá pasta, která odstraní všechny vzduchové mezery, které se vyskytují mezi styčnými povrchy, a zlepší účinnost vedení tepla na přechodu LED diody. Tyto pasty jsou určeny k vyplnění mezery mezi zařízením a chladičem, kde snižují tepelný odpor na styku těchto dvou prvků. To vede k rychlejší tepelné výměně a nižší provozní teplotě zařízení. Jako spojovací materiál je možné použít i vytvrzovací materiály, jako je například silikonový RTV nebo epoxidové materiály – volba bude záviset na požadované pevnosti spojení nebo na požadovaném rozsahu provozní teploty. Pevné materiály, jako jsou podložky pro vyplnění mezer a materiály s fázovou změnou, jsou další možností tam, kde se na rozhraní používá tenká vrstva substrátu. Při výběru vhodného materiálu je tedy na počátku úvaha, zda potřebujeme vytvrzovací materiál pro lepší upevnění chladiče nebo zda je vhodnější nevytvrzující materiál, který umožňuje demontáž.

K dispozici jsou také silikonové a bezsilikonové nevytvrzující materiály. Silikonové materiály nabízejí vyšší horní teplotní limit 200 ˚C a nižší viskozitu vzhledem k použití oleje na bázi silikonu. To nás vede k dalšímu aspektu při výběru materiálu, protože použití výrobků na bázi silikonu nebo s obsahem silikonu nemusí být u některých aplikací povolené. Důvodů může být celá řada, včetně požadavků na aplikaci nebo problémy s čištěním nebo přilnutím. Tyto záležitosti mají původ v migraci nízkomolekulárních siloxanů. Tyto těkavé částice mohou snížit povrchové napětí substrátu, jehož má za následek jeho velmi obtížné čištění nebo přichycení. Navíc může v důsledku jejich izolační povahy vést migrace nízkomolekulárních siloxanů k poruchám elektronických aplikací. U nás v Electrolube používáme pro výrobky suroviny, které jsou speciálně určeny pro elektronický průmysl. Proto se výrobky obsahující silikon používají pouze tam, kde se nízkomolekulární frakce sledují a udržují na absolutním minimu. Pro kritické aplikace je alternativou řada prostředků, které neobsahují silikon.

Další možností, jak zajistit odvod tepla z elektronického zařízení, je použití tepelně vodivé zalévací pryskyřice. Tyto materiály slouží jako ochrana zařízení před vlivy okolního prostředí a současně umožňují, aby se teplo vyprodukované v zařízení mohlo rozptýlit do okolí. V tomto případě se pryskyřice stává chladičem a odvádí tepelnou energii ze zařízení. Tyto materiály lze použít k zapouzdření technologie připojené k LED zařízení, stejně jako mohou pomáhat se zpětným odrazem světla z jednotky v závislosti na zvolené barvě. Zalévací pryskyřice také zahrnují použití tepelně vodivých výplní, přičemž základní pryskyřice, vytvrzovací činidlo a další použitá aditiva je možno změnit tak, aby nabízely větší rozsah možností, včetně epoxidových, polyuretanových a silikonových materiálů.

Různé možnosti chemického složení přinášejí rozličné vlastnosti a konkrétní materiály je třeba zvážit podle požadavků konečné aplikace. Například polyuretanový materiál nabízí vynikající pružnost, především při nízkých teplotách, což je velká výhoda oproti epoxidům. Silikonová pryskyřice dosahuje této pružnosti při nízkých teplotách také, ale kromě toho nabízí vynikající výkon při vysokých teplotách, daleko nad rámec ostatních použitelných chemikálií. Silikonové výrobky jsou často dražší. Epoxidové systémy jsou velmi pevné a poskytují výbornou ochranu v různých náročných prostředích. Jsou to pevné materiály s nízkým koeficientem tepelné roztažnosti a v některých případech je možno složení upravit tak, aby prostředek měl určitý stupeň pružnosti. Příprava zalévacích hmot může ve výsledku nabídnout široký sortiment výrobků s vlastnostmi na míru podle konkrétní aplikace, a proto doporučujeme dané použití podrobně projednat s dodavatelem příslušného materiálu.

Bez ohledu na typ materiálu zvoleného pro teplotní řízení, existuje určitý počet klíčových vlastností, které je třeba vzít v úvahu. Mohou to být docela jednoduché parametry, jako je provozní teplota zařízení, elektrické požadavky nebo případná výrobní omezení – viskozita, doba tvrzení atd. Jiné parametry jsou pro zařízení důležitější a samotná hodnota těchto parametrů nemusí být pro specifikaci správného materiálu dostatečná. Dobrým příkladem je tepelná vodivost. Měřeno v W/mK představuje tepelná vodivost schopnost materiálu vést teplo. Hodnoty hrubé tepelné vodivosti, které nalezneme ve většině technických listů, jsou dobrým vodítkem pro ověření požadované hodnoty přenosu tepla a umožňují provést srovnání různých materiálů. Pokud bychom se ale spolehli pouze na samotné hodnoty hrubé tepelné vodivosti, nemusíme nutně získat nejúčinnější přenos tepla.

Tepelný odpor, měřený v K/W, je opakem tepelné vodivosti. Bere v úvahu tloušťku rozhraní, a ačkoliv závisí na kontaktním povrchu a použitém tlaku, je možno dodržovat některá obecná pravidla, aby hodnoty tepelného odporu byly na minimu, a tím se maximalizovala účinnost tepelného přenosu. Například kovový chladič bude mít daleko vyšší tepelnou vodivost než teplovodivý materiál použitý na rozhraní, a proto je důležité použít tento materiál pouze v tenké vrstvě. Větší tloušťka v tomto případě povede pouze ke zvýšení tepelného odporu. Z tohoto důvodu je pro lepší přenos tepla nejvhodnější menší tloušťka rozhraní a vyšší tepelná vodivost. V některých případech ale může být použití materiálu s vyšší hrubou tepelnou vodivostí na úkor stykového odporu, a pak není možné dosáhnout zlepšení. Níže uvedená tabulka udává některé rozdíly mezi materiály pro teplotní řízení a také, jak je kombinace vlastností důležitější než samotná hodnota.

Příkladem tohoto rozdílu může být srovnání teplovodivých hmot nebo past a teplovodivých podložek, jak vyplývá z tabulky 1 na další straně. Teplovodivé podložky jsou pevné polymerizované materiály dané tloušťky, které jsou k dispozici v různých hodnotách tepelné vodivosti. Teplovodivé hmoty nebo pasty, jak je uvedeno výše, jsou nevytvrzující látky a v důsledku toho se jejich viskozita může mírně měnit podle zvyšování teploty. To umožňuje další snížení odporu rozhraní. V případě teplovodivých podložek jsou pro dosažení adekvátního rozhraní potřeba vysoké tlaky, a tím pádem může mít pasta a podložka s podobnou tepelnou vodivostí odlišné hodnoty tepelného odporu a tento rozdíl v účinnosti tepelného přenosu je třeba vzít v úvahu.

Dalším problémem, který vzniká, když se výběr prostředku řídí pouze podle hodnot tepelné vodivosti, je, že existuje celá řada různých pracovních postupů. S použitím různých testovacích metod nebo parametrů můžeme dosáhnout významných rozdílů v hodnotách tepelné vodivosti u stejného výrobku. To může vést k tomu, že hodnoty hrubé tepelné vodivosti vypadají v první fázi velice vysoké, ale při reálném použití mají výrazně sníženou účinnost tepelné výměny. Některé metody pouze spočítají celkový tepelný odpor materiálů a stykový odpor materiálu s přístrojem. Společnost Electrolube používá metodu pro analýzu toku tepla ve verzi, která měří obě tyto hodnoty separátně, a tím dosahuje daleko přesnějšího určení tepelné vodivosti. Bez ohledu na to, kterou metodu použijeme, je nezbytné, aby pro zjištění hodnot tepelné vodivosti byly výrobky srovnávány s použitím stejné metody, a v každém případě musí výrobky být testovány ve finální aplikaci, protože jen tak budou skutečným obrazem účinné tepelné výměny.

To nás přivádí k dalšímu významnému faktoru při výběru materiálu, a to jeho použití pro teplotní řízení. Ať už se jedná o zalévací hmotu nebo materiál pro rozhraní, všechny případné mezery v tepelně vodivém médiu způsobí snížení rychlosti tepelné disipace. U materiálů pro rozhraní bude mít viskozita materiálu nebo minimální tloušťka přípustná pro danou aplikaci velký vliv na tepelný odpor, což znamená, že vysoce tepelně vodivý, vysoce viskózní materiál, který nelze na povrch rovnoměrně rozprostřít, může mít vyšší tepelný odpor a nižší účinnost tepelné vodivosti ve srovnání s materiálem o nižší viskozitě s nižší hodnotou tepelné vodivosti. U zalévací hmoty to můžeme vyjádřit podobným způsobem: čím vyšší viskozita, tím obtížněji může hmota téci rovnoměrně kolem jednotky, a proto se v zalévací hmotě tvoří vzduchové mezery, které snižují rychlost tepelné výměny. Je nezbytné, aby uživatelé věnovali pozornost hodnotám tepelné vodivosti, stykového odporu, použité tloušťce a postupu tak, aby úspěšně dosáhli optimální účinnosti přenosu tepla.

Praktický příklad, ze kterého je vidět nutnost zvážení výše uvedených hodnot, je uveden v tabulce 2 a grafu níže. Ukazuje případné rozdíly v tepelné výměně na základě měření teploty zařízení produkujícího teplo, které je v chodu. Tyto výsledky vycházejí z práce konečného uživatele, kde se ve všech případech jednalo o materiály pro tepelné rozhraní. Tyto materiály byly použity stejným způsobem a ve stejné tloušťce.

Je zcela jasné, že vyšší hodnota hrubé tepelné vodivosti, v tomto případě 12,5 W/mK, neznamená automaticky účinnější tepelnou výměnu ve srovnání s materiály s nižšími hodnotami, jako je 1,4 W/mK výše. Důvodem může být to, že metoda zpracování není pro materiál vhodná, materiál se obtížně aplikuje nebo není určen pro danou aplikaci. Ať už je důvod jakýkoliv, vyplývá z něj důležitost aplikace materiálu, stejně jako jeho výběr.

S velkými pokroky elektronického průmyslu a konkrétně aplikací LED diod je nezbytné se věnovat také technologii materiálů, aby byly splněny stále náročnější požadavky na tepelnou výměnu. Společnost Electrolube vyvinula speciální technologie, které zlepšují schopnost zpracovávat hmoty pro teplotní řízení jednoduše a účinně. Výsledkem jsou hmoty se sníženou viskozitou a s vyšší tepelnou vodivostí, takže v kombinaci obou vlastností tyto materiály poskytují maximální účinnost tepelné disipace minimalizací tepelného odporu. Tato technologie se nyní používá také pro zalévací hmoty, které tak mají vyšší objem plniva, a tím lepší tepelnou vodivost v kombinaci s lepším tokem. Kromě materiálů pro teplotní řízení společnost Electrolube také vyrábí řadu dalších výrobků. Tyto výrobky zahrnující konformní povlaky a zalévací pryskyřice v opticky jasném formátu pro aplikace, kde se požaduje ochrana celé LED diody, znovu potvrzují význam nepřetržitého vývoje účelových chemických prostředků, které splňují rychle vznikající a náročné požadavky této oblíbené technologie.