Температурный режим светодиода. Теплоотводящие материалы на базе карбона


См. также:                                                                                       
Температурный режим белых светодиодов
Использование силикона в конструкции светодиодного корпуса
Светодиодная лампа с изолированным люминофором

Как показывают многочисленные исследования в области надежности светодиодных источников света, температура излучателя оказывает самое существенное влияние на срок службы светодиодов и соответственно светильников на их основе. При создании экономически оправданных твердотельных излучателей, производители стараются кроме увеличения эффективности преобразования электрической энергии в видимый свет, увеличить максимально возможно плотность тока через кристалл, с тем, чтобы получить максимальный выход с единицы площади чипа. При этом, уровень выделяемой тепловой энергии становится ограничивающим этот процесс фактором. Особенно это актуально для белых светодиодов, ориентированных на цели освещения, когда устойчивость системы голубого излучателя и люминофора имеет повышенную температурную зависимость как параметров излучаемого света (цвет, сила света, равномерность и т.д.), так и старения, при том что именно эти излучатели обычно имеют самые большие значения номинального тока.

Структура светодиодного светильника

Собственно, долговечность полупроводникового источника света, в части температурного влияния электрической мощности напрямую зависит от нескольких факторов:

  • Температурной стойкости материалов, составляющих светодиодный излучатель
  • Теплопроводности и конструкции самого чипа
  • Теплопроводности и термостойкости материала (клея), фиксирующего чип на кристаллодержателе
  • Конструкции корпуса светодиода, теплового сопротивления материалов корпуса
  • Способа монтажа светодиода, теплового сопротивления используемых для монтажа материалов
  • Конструкции, размера и способа охлаждения печатной платы или радиатора
  • Наличия и тепловыделения электронных устройств управления и преобразователей питания
  • Температуры окружающей среды

Ведущие производители светодиодов выпускают сегодня изделия, обеспечивающие достаточно хороший теплоотвод и технологичные способы монтажа. Полупроводниковые материалы, используемые при изготовлении светодиодов позволяют достигать температуры кристалла до 100-120 градусов при несущественном снижении параметров. Современные люминофоры также имеют хорошую стабильность при высоких температурах эксплуатации, при том, что технология изолированного люминофора позволяет снизить температуру слоя люминофора по сравнению с поверхностью полупроводникового материала. Однако, многочисленные исследования показывают, что наиболее приемлемо удерживать температуру светодиодного чипа в пределах 80-85 градусов.

На сегодняшний день рассматривается несколько наиболее перспективных путей удержания температуры чипа на этом уровне при повышении мощности излучателя:

  • Снижение количества слоев, конструктивных элементов между кристаллом и окружающей средой
  • Снижение теплового сопротивления этих слоев за счет их формы, толщины, конструкции и способов объединения в составе излучателя
  • Использование материалов с максимальной теплопроводностью

Исследователи из компании Applied Nanotech Inc. разработали материал, обладающий высокой теплопроводностью при низком удельном весе, названный CarbAl™. Материал, кроме указанных отличий, имеет невысокую по сравнению с медью стоимостью.

Сравнение характеристик материала CarbAl™ с другими теплопроводящими материалами

Constant units Graphite Foam Aluminum Copper CarbAlTM-N CarbAlTM-G
Thermal diffusivity cm2/sec - 0.84 1.12 2.45 2.9
Thermal conductivity W/mK 220 - 245 203 390 425 351
CTE ppm/K 0.69 – 1.02 24*10-6 17*10-6 < 7*10-6 2.0*10-6
Specific Heat J/gK - 0.9 0.385 0.75 0.69
Specific Gravity g/cm3 0.48 – 0.90 2.7 8.9 2.3 1.75
Bending strength MPa 2.1 – 2.7 80 350 40 24.5
Porosity % 60 - 70 - - - 20 -25
Cost (in volume) $ >> X <<X X X <X

Литература:

1. Methods of Determining LED Operating Junction Temperature Experimental and Theoretical. LED-Professional July/Aug 2012, Issue 32.

Назад к каталогу статей >>>