Optimal prestanda i lysdiodsystem med hög effekt kräver omsorgsfull hantering av värmeproblemet.

För att förstå rollen för termisk utformning med lysdioder är det viktigt att granska hur systemets och elektronikens driftsvillkor påverkar ljuseffektens prestanda på längre sikt för lysdioder med hög effekt. Följande parametrar har påverkats av kopplingstemperaturen och visar hur viktigt detta ämne är:

Funktionen på kort sikt när kopplingstemperaturen ökar
o    Minskningar av framspänningen
o    Minskningar i ljuseffekten
o    Skiftningar i våglängd och spektrum

Funktionen på längre sikt när kopplingstemperaturen ökar
o    Bibehållen lumen eller minskad ljuseffekt
o    Färgskiftningar som en funktion av driftstiden
o    Tillförlitlighet på längre sikt och försämringar av livstiden

Temperaturen har en direkt påverkan på optisk och elektrisk prestanda samt den övergripande kvaliteten och tillförlitligheten för en lysdiodbaserad produkt. Därför är det mycket viktigt att ingenjörsteamen förstår systemens termiska parametrar och fokuserar på termodynamiska kompetenser.

I figur 1 kan vi se hur olika systemparametrar påverkar en lysdiods ljuseffekt. De gröna pilarna anger positiv förändring, de röda en negativ förändring. Trots vad som skulle kunna förväntas minskar framspänningen faktiskt med ökande kopplingstemperatur, vilket i sin tur reducerar den förbrukade effekten – kom ihåg att lysdioder med hög effekt drivs med en konstant strömkälla. P = U * I (Effekt = Framspänning * lysdiodens drivström).

Eftersom dV/dT (deltaframåtspänning som en funktion av temperturförändringen) inte är konstant från enhet till enhet till skillnad från en CMOS-diod, betyder lysdiodens termiska hantering också att det inte är att rekommendera att använda flera lysdioder med hög effekt parallellt. Även när framspänningshållare för lysdioder med hög effekt väljs mycket noggrant vid rumstemperatur kan de vid driftstemperatur vara mycket olika och potentiellt orsaka betydande skillnader i ström mellan parallellbanorna.

Ett typiskt termiskt system visas i figur 2. Den termiska energin som genereras i lysdiodkopplingen transporteras genom lysdiodspaketet, över den mellankopplande termiska banan och in i kretskortet. Kretskortet leder värmen genom det termiska gränsmaterialet och in i det värmeabsorberande lagret, som ökar ytarean för omgivande luftexponering.

Vid utvärdering av möjlig förbättring av prestanda för systemet finner vi att flera faktorer bidrar till systemets totala termiska bana. Det finns flera vägar för att reducera det termiska motståndet som kan användas individuellt eller i kombination:

1.    Optimera hela systemet för termisk prestanda.
Vid utformning av det fysiska systemet i en ljusanläggning går det till exempel att korta de termiska banorna efter bästa förmåga och fortfarande uppfylla konstruktionens specifikationer.

2.    Optimera varje komponent i den termiska banan för att förbättra prestanda.
Använd exempelvis koppar i stället för aluminium.

3.    Avlägsna komponenter för att eliminera resistans.
Eliminera exempelvis de termiska mellanlagren genom att montera lysdioden direkt på det värmeabsorberande lagret.

Vid valet bland dessa alternativ måste konstruktören skapa en balans mellan prestanda, kostnad och industriell design för att uppnå önskade resultat. För att optimera hela systemet för termisk prestanda krävs det en god förståelse av den faktiska användningsmiljön. Faktorer som luftflöde, normparametrar som UL- eller CE-certifikat som begränsar maxtemperaturen för systemet och annat kan behöva tas med i beräkningen.

Tre faktorer infinner sig som vitala för optimeringen av en krets för termisk prestanda, innan man ens vidrör frågan om val av lysdiod: värmeabsorberande lager, val av kretskort och testning.

Värmeabsorberande lager
Värmeabsorberande lager eller värmespridare är den del av det termiska systemet som fördelar värmeenergin till den omgivande luften. Aktivt luftflöde ökar dramatiskt effektiviteten men i de flesta SSL-tillämpningar är detta inte ett alternativ på grund av livstiden, formfaktorn och bullerbegränsningarna. Därför är ytarean kärnan och ofta begränsningen i hela det termiska systemet. Trots att ett värmeabsorberande lager verkar vara den enklaste komponenten har det också den högsta potentialen för optimering och ingenjörerna är på jakt efter nya och avancerade material och metoder för att differentiera utformningen av det värmeabsorberande lagret.
Upptäckten av termiskt ledande plaster öppnar för en ny dimension av belysningslösningar. Termiska system kan nu integreras i höljet till produkter som masstillverkas genom formsprutning vilket ger den extra fördelen av mindre vikt. Enligt Jeff Panek, direktör för Cool Shield Inc. är “de flesta av dagens SSL-tillämpningar begränsade av konvektion snarare än av konduktion. Därför kan ett värmeabsorberande plastlager på 20 W/mK fungera lika bra som ett 180 W/mK värmeabsorberande aluminiumlager vid luftströmmar på mindre än 1,52 m/s. Detta beror på att systemet inte begränsas av hur snabbt värmen kan förflytta sig genom det termiska systemet, utan snarare begränsas av hur effektivt det kan leda bort värmen från ytan till den omgivande luften.”
Det effektivaste sättet att förbättra resistansen i den termiska banan är att eliminera de termiska gränsytorna över huvud taget. Detta kan till exempel uppnås genom att kretskortet tas bort helt och att lysdioden löds direkt i det värmeabsorberande lagret. Men hur ansluter man lysdioden till strömtillförseln om det inte finns något kretskort? En lösning är en gjuten mellankopplande enhet som möjliggör starkare ström och högre ljuseffekt med mindre drivström samtidigt som kopplingstemperaturen är den samma. I sådana fall kan användning av avancerade material och metoder bli huvudkriteriet för att uppfylla en specifikation som Energy Star eller reducera antalet komponenter för en mer kostnadseffektiv lösning.

Termiska material
De termiska egenskaperna för lysdiodssystem har lett till att ingenjörerna har anammat MCPCB (Metal Clad PCB) som primärt material i stället för FR4-kort. MCPCB ”Star”-kortet är ett vanligt förekommande format men det ökar systemkostnaderna. Denna nackdel har resulterat i ett pågående arbete för att reducera kostnaderna utan att offra prestanda. På det sätt som visas i tabell 1 finns det nu, med användning av MCPCB som indexreferens, flera alternativ som ger liknande eller till och med bättre termisk prestanda med lägre kostnad.

Termiska gränsmaterial används till att ansluta en halvledarljusanläggning till ett externt värmeabsorberande material. Beroende på tillämpningen finns olika typer av TIM tillgängliga. I allmänhet ska detta lager vara tunt men klara att öka den ledande ytstorleken genom att eliminera luftgapen som på annat sätt skulle öka de termiska motstånden.

Testning av termisk prestanda är en dyr och tidskrävande process som innefattar tillverkning av prototyper och användning av olika mättekniker som IR-kameror. Med utvärderingsprogram som utvecklats för halvledarbelysning som Qled kan tekniker förlita sig på termiska simuleringsverktyg som ger resultat som är baserade på standardtillstånd på bara några minuter. Ändringarna kan implementeras och analyseras för att utföra olika fallstudier. Ett sådant tillvägagångssätt är också användbart i tillämpningar med pulserande driftsvillkor, till exempel blinkers på fordon eller kamerablixtar i mobiltelefoner.

Halvledarbelysningsbranschen inser vikten av termiska system men dess komplexitet har underskattats av många och hur prestanda för lysdioder med hög effekt påverkas är inte väldokumenterad. ”Tänk termiskt först” håller på att bli allt viktigare för halvledarbelysningens konstruktörer. Om man pressar prestanda och livstid för produkterna genom att optimera drivströmmen och antalet emittorer resulterar det i att nya material och implementeringsmetoder utvecklas.
Företag som tidigare har fokuserat på elektromekanik – kontaktdonsföretag – verkar nu mer och mer gå över till termoelektriska system för att uppfylla halvledarbranschens behov. Material och metoder som primärt används i mycket avancerade produkter i höga volymer blir nu tillgängliga till halvledaringenjören och -konstruktören. Till slut kanske ”tänk termiskt först” inte bara blir ett motto för ingenjörerna, det blir kanske en vattendelare som utlöser utveckling av en framgångsrik produkt i den framväxande halvledarbelysningsbranschen.