Керамические радиаторы для светодиодов

В статье приведены краткие сведения об изготов­ленных из теплопроводящей керамики радиаторах для светодиодов.

А. Мельниченко

Ухудшение светотехнических характери­стик и сокращение срока службы светодиодов при повышении температуры ограничивают сферы их применения в качестве источников света. Для рассеяния выделяемого светодиода­ми тепла их устанавливают на радиаторы. Од­нако при этом недостаточное внимание уде­ляется вопросу уменьшения теплового сопро­тивления между ними и светодиодами.

С появлением новых материалов, таких как теплопроводящая керамика, открывается воз­можность повышения эффективности отвода тепла от светодиодов при одновременном уменьшении площади радиатора. Этому также способствует развитие компьютерных про­грамм для моделирования распределения тем­пературы с использованием принципов вычис­лительной гидродинамики.

Как известно, светодиоды, являясь высоко­эффективными источниками света, занимают при этом весьма малый объем. Однако послед­нее утверждение справедливо лишь до тех пор, пока не возникает проблема отвода тепла.

ДВА ПУТИ ОПТИМИЗАЦИИ ОТВОДА ТЕПЛА

На рисунке показаны два способа отвода тепла от светодиода: стандартный и вариант с использованием керамического радиатора.

Элемент 1 на рисунке – это стандартный све­тодиод, в середине которого расположен кри­сталл, установленный на медном основании. Наилучшая теплопередача обеспечивается при непосредственном припаивании основания кри­сталла светодиода к радиатору. Однако для се­рийного производства этот вариант неприемлем.

Отвод тепла от светодиода с использованием алюминиевого радиатора (а) и радиатора CeramCool (б)

Элемент 2 – это радиатор. Кроме чисто тех­нической функции – рассеяния тепла – он так­же может выполнять конструктивную либо эстетическую функцию. В последнем случае он располагается снаружи корпуса или является его частью, способствуя улучшению тепло­обмена.

Между светодиодом и радиатором нахо­дится прослойка, обеспечивающая механиче­ское крепление, электрическую изоляцию и тепловой контакт светодиода с радиатором (элемент 3). К ней предъявляются противо­речивые требования, так как большинство материалов с хорошей теплопроводностью яв­ляются также хорошими проводниками тока. Компромиссом является пайка светодиода на печатную плату, которая затем приклеивает­ся к радиатору.

КЕРАМИЧЕСКИЙ РАДИАТОР:

ОДИН МАТЕРИАЛ – ДВЕ ФУНКЦИИ

Усилия разработчиков направлены, глав­ным образом, на совершенствование конструк­ции радиаторов. Однако больший эффект мо­жет дать оптимизация свойств (или лучше – исключение) слоя между светодиодом и радиа­тором (элемента 3 на рисунке). Это стало воз­можным с появлением радиаторов из тепло­проводящей керамики. Для их изготовления используются рубалит (Al₂O₃) или алунит (AlN), в которых сочетаются хорошие тепло­проводящие и изолирующие свойства. Первый из них дешевле второго, однако его теплопро­водность несколько ниже. Керамические ра­диаторы прочны, химически инертны, устой­чивы к коррозии и совместимы с бессвинцовой технологией пайки. По коэффициенту тепло­вого расширения они сравнимы с полупровод­никовыми материалами. Используя такие ра­диаторы, можно обойтись без применения клеев и изолирующих прослоек, припаивая светодиоды и другие мощные компоненты не­посредственно к металлизированному слою, нанесенному на поверхность радиатора. Тем самым одновременно с упрощением техноло­гического процесса создаются идеальные усло­вия теплопередачи. Полученная конструкция отличается стабильностью и высокой надеж­ностью. Такие радиаторы выпускаются фир­мой CeramTec AG (www.ceramtec.com) под на­званием CeramCool.

Радиаторы CeramCool представляют собой удачное сочетание теплоотвода и печатной платы, обеспечивая эффективный отвод тепла от чувствительных к высокой температуре компонентов. На радиаторы способом метал­лизации можно наносить проводники, превра­щая их в основание модуля, на который затем монтируются светодиоды и другие компонен­ты.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА РАДИАТОРЕ

Идея применения керамики для изготовле­ния радиаторов была проверена на нескольких моделях. Распределение температуры на кера­мическом радиаторе моделировалось с исполь­зованием метода, основанного на принципах вычислительной гидродинамики. Для провер­ки результатов моделирования был изготовлен керамический радиатор для светодиода с мощ­ностью рассеяния 4 Вт. Оптимизация его фор­мы и размеров позволила снизить температуру установленного на нем светодиода до величи­ны менее 60 °C, что соответствовало темпера­туре, полученной в процессе моделирования.

Радиатор размерами 38x38x24 мм имел тонкие длинные ребра с большими промежутками между ними. Сравнительные измерения, вы­полненные с применением алюминиевого ра­диатора той же геометрии, показали, что тем­пература установленного на нем светодиода была значительно выше. Разность температур составила от 6 до 28 К в зависимости от коэф­фициента теплопроводности печатной платы (от 4.0 до 1.5 Вт/м^.К).

Следует отметить, что снижение температу­ры всего на 6 К позволяет существенно облег­чить режим работы светодиода.

По сравнению с алюминиевым радиатором полное тепловое сопротивление на участке «кристалл – окружающая среда» при приме­нении радиаторов из рубалита может быть сни­жено на 13%, а для радиаторов из алунита – на 31%. Таким образом, размеры радиатора мо­гут быть значительно уменьшены.

Размеры и форма радиатора выбираются в зависимости от желаемой температуры свето­диода, от которой, в свою очередь, зависит его светоотдача и срок службы. Так, на вышеупо­мянутый керамический радиатор можно уста­новить светодиоды, рассеивающие мощность 5 или 6 Вт, при этом их температура повысится до 65 или 70 °C соответственно. Замена свето­диода мощностью 4 Вт четырьмя светодиодами мощностью 1 Вт способствует более равномер­ному распределению температуры по поверх­ности радиатора.

ДРУГИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА

Химическая инертность керамики позво­ляет изготавливать радиаторы с водяным охлаждением, не опасаясь возникновения про­блем, связанных с коррозией. Причем расстоя­ние между светодиодом и охлаждающей его водой можно сделать достаточно малым (до 2 мм). Это позволяет эффективно охлаждать расположенные на поверхности радиатора компоненты, исключив возможность возник­новения мест локального перегрева.

При разработке осветительных приборов на основе светодиодов возникает проблема обес­печения их безопасной эксплуатации. По­скольку нельзя гарантировать подвод к каждо­му из них защитного заземления, их металли­ческие части должны быть надежно изолирова­ны. Нередко эти требования не выполняются вполной мере, что связано с необходимостью увеличения габаритов и стоимости приборов, а также с ухудшением условий работы установ­ленных в них радиаторов. При применении ке­рамических радиаторов, если даже драйверы светодиодов выходят из строя, осветительные приборы не представляют опасности благодаря тому, что радиаторы одновременно выполняют роль изоляторов.

Теплопроводящую керамику можно также использовать для модернизации существую­щих систем освещения на светодиодах. Печат­ную плату между светодиодами и металличе­ским радиатором можно заменить керамиче­ской пластиной. В результате, благодаря высокой теплопроводности керамики улучшается отвод тепла от светодиодов и уменьшается их температура.

Керамические радиаторы можно использо­вать в качестве основы для изготовления пе­чатных плат. Применяя известные технологии металлизации, на них можно наносить печат­ные проводники разной толщины, а затем мон­тировать компоненты. Для лучшей паяемости на поверхность проводников наносится анти­коррозионный слой (электроосажденный ни­кель или золото). Монтаж компонентов непо­средственно на металлизированную поверх­ность радиатора позволяет до минимума сни­зить тепловое сопротивление между ними.