Nowoczesne materiały termoprzewodzące w chłodzeniu diod LED

Choć najnowsze struktury białych diod LED, uzyskane w laboratoriach, charakteryzują się skutecznością przekraczającą 300 lm/W (czyli 3-krotnie większą niż 8 lat temu), w praktyce stosuje się głównie diody o mniejszej wydajności.

Wynika to z faktu, że LEDy o najwyższych skutecznościach świetlnych emitują światło zimne i o niskim współczynniku odwzorowania barw, natomiast postęp technologiczny pozwolił na opracowanie w ostatnich latach znacznie przyjemniejszych i bardziej użytecznych źródeł światła tyle, że mających niższą skuteczność świetlną. I to tego typu diody znajdują coraz szersze zastosowanie w różnorodnych urządzeniach, a co za tym idzie, konieczność zapewnienia odpowiedniego odprowadzenia dużych mocy z LEDów wcale nie straciła na znaczeniu.

Diody małej mocy

Dla LEDów o małej mocy wystarczy zastosowanie niezbyt drogich materiałów mających relatywnie dobry współczynnik przewodzenia ciepła oraz łatwość nakładania. Dobrym przykładem są cienkie błony klejowe popularnej firmy 3M - np. błony 467MP i 468MP. Charakteryzują się one odpornością na chwilowe skoki temperatury (nawet do 200°C) i bardzo dobrze przytwierdzają nagrzewający się element do podłoża.

Grubość tych błon wynosi 0,06 mm (2,3 mils) i 0,13 mm (5,2 mils), a za podłoże może posłużyć np. aluminium, tworzywo ABS, płytki akrylowe lub szklane, czy poliwęglany lub poli(chlorek winylu). Choć odpowiednio mocne przytwierdzenie grzejącego się elementu do płytki lub do radiatora jest kluczowe dla skutecznego odprowadzania ciepła, ogromne znaczenie ma też współczynnik przewodności cieplnej.

W przypadku błon 467MP i 468MP wynosi on jedynie 0,17 W/m·K - 0,18 W/m·K, więc spełniają one rolę kleju i muszą być tak cienkie, jak to możliwe, aby wprowadzana przez nie rezystancja termiczna była jak najmniejsza.Ciepło w tym przypadku jest odprowadzane do metalowych elementów obudowy lampy LED, gdyż rozwiązanie takie stosuje się zwłaszcza w tzw. świetlówkach LEDowych.

Diody o większej mocy

Do diod LED dużej mocy rekomenduje się użycie podkładek 3M 5590H. Produkt ten charakteryzuje się przewodnością cieplną na poziomie 3 W/m·K i jest oferowany w wersjach o grubości 0,5 mm, 1 mm i 1,5 mm. Równomiernie przewodzi ciepło oraz łatwo przytwierdza się do innych elementów. Cechuje się też korzystnymi właściwościami dielektrycznymi oraz jest bardzo trwały - niemal nie zmienia swoich parametrów ani pod wpływem dużych temperatur, ani z upływem czasu.

Dla mocniejszych diod godne polecenia są też termoprzewodzące taśmy samoprzylepne 3M 8940. Pozwalają efektywnie przenosić ciepło z elementów grzejących się do obudów. Taśmy te składają się z podłoża, wypełnionego silnie termoprzewodzącym materiałem oraz obustronnie laminowanych warstwami akrylowymi, odpornymi na wysokie temperatury.

Dzięki temu taśmy są wytrzymałe mechaniczne i mogą pracować w temperaturach z zakresu od -40°C do +150°C. Grubość taśmy (po zdjęciu warstwy chroniącej klej, wynosi 0,19 mm i jest ona dostępna w szerokich, długich rolkach, co ułatwia montaż elementów o niemałych wymiarach. Przewodność cieplna tych taśm to 0,4 W/m·K.

Pozostałe produkty 3M

Kompletna oferta firmy 3M obejmuje znacznie więcej ciekawych produktów. Dostępne taśmy występują w rozmiarach o grubościach: 0,05, 0,125, 0,13, 0,17, 0,19, 0,2, 0,25, 0,3, 0,375 i 0,5 mm. Ich przewodność cieplna może wynosić 0,4, 0,6 lub ponad 1,5 W/m·K.

Podkładki termoprzewodzące 3M dostępne są w wykonaniach z akrylu, polimerów akrylowych, polimerów silikonowych i innych. Podkładki termoprzewodzące w wersji z klejem lub bez są oferowane również w formie wykrojów (die cut, kiss cut), odpowiadających konturowi modułów czy też diod power LED. Dostępne grubości to: 0,05; 0,1; 0,2; 0,25; 0,45; 0,5; 1,0; 1,5 i 2 mm, a przewodność cieplna wynosi od 0,8 do 4,1 W/m·K, w zależności od wersji podkładki.

Moduły LED do radiatorów można też przytwierdzić za pomocą klejów termoprzewodzących, np. firmy Electrolube, których przewodność cieplna wynosi 4 W/m·K. Kleje oferowane są w tubkach i w zależności od wersji, cechują się różną przewodnością cieplną i różną lepkością.

Fujipoly

O ile oferta 3M jest bogata i dobrze się sprawdza w bardzo wielu aplikacjach, znacznie bardziej zaawansowanymi materiałami termoprzewodzącymi może poszczycić się firma Fujipoly. Szczególnie godnymi polecenia są jej podkładki Sarcon, których przewodność termiczna sięga aż 17 W/m·K.

Są one dostępne w wersjach o grubości 0,3, 0,5, 1, 1,5 lub 2 mm. Są one wykonane z izolujących materiałów o konsystencji gęstych żeli. Dzięki ciekawym właściwościom mechanicznym, świetnie wypełniają wszelkie nierówne przestrzenie. Co więcej, ich parametry utrzymują się na stałym poziomie nawet po wielu godzinach pracy w temperaturze 150°C.

Producent dostarcza w ramach dokumentacji technicznej wyniki badań parametrów swoich produktów po 100, 500 i 1000 godzin pracy różnych temperaturach. Pełna oferta firmy Fujipoly obejmuje bardzo wiele wersji podkładek i taśm Sarcon.

Umieszczono je w tabeli 1. Ofertę firmy Fujipoly uzupełniają pasty i żele termoprzewodzące. Pasty i kleje termoprzewodzące oferuje również znana angielska firma Electrolube. Uwagę zwraca rodzina past termoprzewodzących bezsilikonowych.

Rozwiązania specjalne

Do najbardziej zaawansowanych konstrukcji Power LED oraz modułów LED stosuje się podłoża ceramiczne i kompozytowe. Wykorzystywana bywa ceramika alundowa (AL₂O₃) i z Azotku Glinu (AlN), której termoprzewodność wynosi nawet ok. 170 W/m·K.

Używane podkładki kompozytowe zawierają grafit lub w ogóle zastępowane są cienkimi foliami grafitowymi, o anizotropowym przewodnictwie cieplnym. Choć ich termoprzewodność wynosi ok 10 W/m·K w osi Z, to w płaszczyźnie folii wynosi ponad 1000 W/m·K.

Aktualnie trwają prace nad możliwością zastąpienia grafitu grafenem, jako składnikiem termoprzewodzącym, co daje szansę jeszcze bardziej polepszyć właściwości termiczne materiałów termoprzewodzących.