Тепловые режимы мощных светодиодов Dorado Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Тепловые режимы

мощных светодиодов DORADO

Андрей ВИНОКУРОВ

andrey@e-neon.ru

В настоящее время повысился интерес к созданию твердотельных источников света на основе светодиодов. Световая эффективность полупроводниковых излучателей уже достигла 100 лм/Вт. Вместе с тем, стремление к дальнейшему повышению выхода светового потока неизбежно приводит к увеличению прямого тока через кристалл полупроводника и, как следствие, к увеличению тепловыделения. Данные исследований говорят о том, что примерно 65—85% электроэнергии при работе светодиода преобразуется в тепло.

Введение

При неправильном тепловом расчете устройства излишек тепла повышает температуру активной области кристалла, что приводит к уменьшению максимального оптического выхода и ограничивает срок службы светодиода. К тому же, полимер, из которого изготовлен корпус светодиода, нельзя нагревать свыше определенного предела — деформация колбы может привести к обрыву токовода. Понятно, что температура кристалла, находящегося внутри полимерной колбы, не должна превышать некоего значения в определенном интервале времени. Именно поэтому многие производители не решаются на серийный выпуск светодиодов с рассеиваемой мощностью более 3-5 Вт.

Фирма COTCO Ltd разработала и начала серийно производить одноваттные светодиоды под торговой маркой DORADO. Основная особенность светодиодов DORADO — корпус QFN размером 7x7 мм для поверхностного монтажа. Уникальный способ крепления кристалла на теплоотводе позволяет эффективно передавать тепло от p-n-перехода к печатной плате или радиатору, позволяя светодиоду работать в оптимальном режиме. Выпускаются и мини-DORADO в корпусе QFN 3x3 мм с рассеиваемой мощностью 0,3 Вт. На рис. 1 показаны два типа DORADO рядом с обычным светодиодом в корпусе Р4 размером 7,6x7,6 мм.

Рассмотрим внутреннее устройство светодиода DORADO. Кристалл приклеен токо-

Полимернаялинза

Кристалл і

' /

Медная подложка j ,-------

Слой

диэлектрика

Pd

Т перехода

0jc

Т корпуса 0cb

Т печатной платы

6Ьа

Алюминиевая плата

Т окружающей среды

Рис. 2. Тепловая модель светодиода DORADO

проводящим клеем с высокой теплопроводностью к медной подложке относительно больших размеров. Оптическая линза из полимера защищает конструкцию от внешних воздействий и формирует световой поток. Рис. 2 поясняет модель теплового сопротивления для светодиода DORADO, припаянного на печатную плату из фольгированного алюминия.

Сравним особенности конструктивного исполнения светодиодов Luxeon и DORADO, а также способы их монтажа на печатную плату (рис. 3). Видно, что Luxeon припаивается ленточными выводами и требует установки на теплоотводящую пасту, в отличие от DORADO, у которого на печатную плату припаивается весь корпус.

Мощность, рассеиваемая на светодиоде, прямо пропорциональна прямому напряжению и прямому току через светодиод:

Pd

- Ip* Vp,

где Р0 — рассеиваемая мощность, 1р -мой ток, Ур — прямое напряжение.

- пря-

Рис. 3. Особенности монтажа светодиодов: а) DORADO; б) Luxeon

Рассеиваемая мощность повышает температуру кристалла. Если температура перехода становится выше оговоренной в технической документации, светодиод может быть поврежден. Температура р-п-перехода рассчитывается следующим образом:

Tj = Ta + Pd (0jc + 0ca),

где Tj — температура р-п-перехода, Ta — температура окружающей среды, Ojc — тепловое сопротивление между р-п-переходом и корпусом, Qca — тепловое сопротивление между корпусом и окружающей средой.

Тепловое сопротивление определяется как отношение разности температур к соответствующему рассеянию мощности. Рассчитать температуру р-п-перехода при конкретном тепловом сопротивлении Qja можно с помощью следующих уравнений:

Tj - TA = PDx(Oj'c+ Ocb+ Oba),

Таблица 2. Данные экспериментальных измерений

Tir

- Pd *

Здесь Tja = Tj-Ta (разница между температурой p-n-перехода и температурой окружающей среды) и Qja = Qjc+Qcb+Qba или Qja = Qjc+Qca (тепловое сопротивление между p-n-переходом и окружающей средой).

Для количества светодиодов больше одного

Qja = (Qjc/n)+Qca,

где n — количество светодиодов на одной плате.

При тепловом расчете проектируемого устройства многие параметры можно найти в технической документации. Важнейший из этих параметров — температура перехода, которая не должна превышать установленного максимального значения. Параметры белого светодиода DORADO LD-700DWN6-70 приведены в таблице 1.

К числу факторов, влияющих на тепловой режим, можно отнести величину прямого тока через светодиод, температуру окружающей среды, материалы печатной платы и ра-

Таблица 1. Тепловые параметры светодиода LD-700DWN6-70

Параметры (на английском языке) Параметры Величина

Junction temperature Tjmax Максимально допустимая температура р-я-перехода 125 °С

Junction temperature Tj Рекомендуемая температура р-я-перехода 110 °С

Junction-to-ambiente 8ja Тепловое сопротивление между р-я-переходом и окружающей средой 45 °С/Вт

Junction-to-case 8jc Тепловое сопротивление между р-я-переходом и корпусом светодиода 15 °С/Вт

Примечание: данные приведены при установке светодиода на плату из фольгированного алюминия размером 20x20x2 мм. При оптимизации теплоотвода значения Ojc и Oja уменьшатся.

Модель DORADO If, мА Vf, В PD, Вт Ta, °С Tc, °С Tj, °С

LD-700AWN1-70 350 3,6 1,26 25 77 88 9

LD-700ABL1-E0 300 3,6 1,08 25 70 81 10

LD-700APG1-E0 300 3,6 1,08 25 72 83 10

LD-701CHR1-A5 450 2,4 1,08 24 68 82 13

LD-701CYL1-A5 450 2,4 1,08 24 70 84 13

диатора. При проектировании устройства тепловые сопротивления между корпусом светодиода и печатной платой, печатной платой и окружающей средой должны быть рассчитаны дополнительно.

Тепловой расчет

Для понимания влияния температуры окружающей среды и теплового сопротивления материалов, используемых для печатной платы, в лаборатории COTCO Ltd были исследованы светодиоды DORADO, припаянные на плату из фольгированного алюминия размером 20x20x2 мм. Именно на такой плате (рис. 4) поступают в продажу светодиоды для потребителей, не имеющих паяльных печей. Стандартная упаковка светодиодов без радиатора для SMD-монтажа — это лента на катушке диаметром 300 мм.

Плата представляет собой алюминиевую пластину толщиной 2 мм с диэлектриком и слоем медной фольги толщиной 35 мкм. Средний слой изготовлен из особого диэлектрика с высокой теплопроводностью толщиной от 75 до 300 мкм. Первый слой (фольга) служит для изготовления токоведущих дорожек печатной платы. Как в случае с обычными фольгирован-ными текстолитами, рисунок печатной платы можно получить травлением или фрезерованием этого слоя. Второй (диэлектрический) слой состоит из смеси полимера со специальной керамикой, что обеспечивает отличные диэлектрические свойства и очень низкое тепловое сопротивление. Он является проводником тепла к третьему слою — алюминиевой пластине, служащей радиатором для светодиода.

Температура корпуса измерялась с помощью термозонда, введенного сквозь отверстие диаметром 1 мм в плате под медным основанием корпуса светодиода. Через 30 минут после включения питания были проведены измерения температуры корпуса. Данные измерений приведены в таблице 2.

Наряду с радиатором из фольгированного алюминия были исследованы и другие виды

Рис. 4. Фото светодиода DORADO на радиаторе из Al PCB

печатных плат размером 20x20 мм: из фольгированного стеклотекстолита FR4, и из двустороннего стеклотекстолита с просверленными дополнительными сквозными металлизированными отверстиями диаметром 0,4 мм (рис. 5). При пайке светодиода DORADO эти отверстия заполняет припой. На этих платах не были установлены никакие другие компоненты, выделяющие тепло во время работы. Эксперимент проводился при температуре окружающей среды 25 °С и нормальной влажности.

Спустя 30 минут после подачи питания радиатор из фольгированного алюминия имел более низкую температуру, чем печатная плата из фольгированного стеклотекстолита FR4, поскольку он имеет более низкое тепловое сопротивление и отдает большее количество тепла в окружающую среду.

Таблица 3. Данные экспериментальных измерений

Материал платы Измеренная температура Тепловое сопротивление между платой и окружающей средой 8ba

Стеклотекстолит FR4 84,8 °С 59,8 °С/Вт

Фольгированный алюминий 76,6 °С 51,6 °С/Вт

Стеклотекстолит FR4 с отверстиями 75,5 °С 50,5 °С/Вт

Н

„Фольга

"Диэлектрик

-Алюминий

Фольга

Текстолит

И

Фольга

■н~

1 т/s ■ ' _

Сквозные отверстия І в I

Рис. 5. Варианты монтажа

О 1000 2000 3000 4000

Размер платы, мм2

Рис. 7. График теплового сопротивления

Однако печатная плата из двустороннего фольгированного стеклотекстолита за счет наличия дополнительных металлизированных отверстий имеет лучшие тепловые характеристики, чем фольгированный алюминий (табл. 3).

График на рис. 6 иллюстрирует зависимость теплопроводности платы из фольги-рованного стеклотекстолита FR4 при различном количестве отверстий.

Размеры платы и расположение в пространстве

Размеры печатной платы и расположение ее в пространстве тоже влияют на величину теплового сопротивления между светодиодом и окружающей средой. Для изучения этих параметров было проведено экспериментальное исследование. Замерялась температура корпуса после работы светодиода в течение 30 минут. Данные исследований сведены в таблице 4.

При вертикальном размещении отвод тепла в условиях естественной конвекции будет лучше, чем при горизонтальном. График на рис. 7 иллюстрирует зависимость теплового сопротивления плат различного размера из фольгированного алюминия при разной ориентации в пространстве. Используя этот график, можно рассчитать площадь платы для достижения оптимального теплового режима.

Приведем пример расчета теплового сопротивления печатной платы на открытом воздухе (табл. 5).

Расчет для одного светодиода:

• Рассеиваемая мощность на светодиоде PD = VF xIF = 0,95 Вт.

• Oja = (Tj-Ta)/Pd =73,7 “C/Вт.

• OjB светодиода = Ojc + Ocb = 18 “C/Вт.

• OBA печатной платы = Oja- OjB = 55,7 “C/Вт Из графика на рис. 7 видно, что такое тепловое сопротивление обеспечит плата из фоль-гированного алюминия размером примерно 400 мм2.

Расчет для сборки из четырех светодиодов.

• Рассеиваемая мощность на светодиодах Pd = 4x(VFxIF)= 3,8 Вт.

• Oja = (Tj -Ta)/Pd =18,4“C/Вт.

• OjB светодиода = Qjc + O^ = 18 “C/Вт.

Таблица 6. Данные экспериментальных измерений

Материал платы 20x20 мм FR4 Фольгированный алюминий Фольгированный алюминий Фольгированный алюминий Фольгированный алюминий

Теплопроводящий материал ... ... Прокладка фирмы 3M Теплопроводная паста Теплопроводная паста

Радиатор ... ... Алюминиевый 28x18x8 мм Алюминиевый 28x28x8 мм Алюминиевый 38x38x6 мм

If, мА Температура корпуса светодиода, °C

1GG 37 37 35 34 32

15G 47 47 44 4G 37

2GG 56 55 5G 44 42

25G 64 62 5S 5G 47

3GG 73 7G 66 55 51

35G S2 79 73 61 56

4GG S9 S5 SG 66 6G

45G 9S 92 S6 71 63

8ca при 35G мА, °С/Вт 52 49 44 33 29

Таблица 5. Параметры для расчета

Параметр Величина Примечание

Температура окружающей среды Та (макс) 4G °С Предположительно

Температура р-я-перехода Т 11G °С Рекомендуемые данные из технической документации

Тепловое сопротивление между р-я-переходом и корпусом 8]с 15 °С/Вт Согласно данным из технической документации

И = Прямой ток G,25 А Значение при данном расчете

V! = Прямое напряжение 3,S В Согласно данным из технической документации

Количество светодиодов, шт. 1 или 4

Тепловое сопротивление припоя между корпусом и печатной платой 8сЬ 3 °С/Вт Значение при данном расчете

Таблица 4. Данные экспериментальных измерений

Плата из фольгированного алюминия !пр, мА

Размеры, мм 60x60x1,8 60x40x1,8 60x20x1,8 20x20x1,8

Объем, мм3 6480 4320 2160 720

Площадь, мм2 3600 2400 1200 400

LD-7GGAWN1-7G 47 56 6S SG 35G

LD-7GGABL1-EG 45 53 63 75 3GG

LD-7GGAPG1-EG 46 54 63 76 3GG

LD-7G1CHR1-A5 44 52 61 74 45G

LD-7G1CYL1-A5 45 52 62 75 45G

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 '2006

• 8|5 сборки светодиодов =

= 8^/4 шт. = 4,5 °С/Вт.

• 8ва печатной платы = 8|а- 8|В = 13,9 °С/Вт. Для нормальной работы такой сборки мы

должны использовать плату площадью не менее 3500 мм2 или применить дополнительный радиатор с соответствующими тепловыми характеристиками.

Применение радиатора

Использование дополнительного радиатора — более эффективный метод, чем увеличение размера платы.

С его помощью можно значительно уменьшить температуру корпуса светодиода. Были проведены экспериментальные исследования двух видов алюминиевых радиаторов (рис. 8), размерами 28x18x8 мм и 38x38x6 мм. Данные приведены в таблице 6.

Влияние температуры окружающей среды

При увеличении температуры окружающей среды увеличивается и температура печатной платы с установленным на ней светодиодом. Чтобы компенсировать рост температуры корпуса светодиода, необходимо увеличить размер печатной платы или размер радиатора, что часто бывает затруднительно из-за ограниченного объема корпуса готового устройства. Возможно, придется по-

Рис. 9. Сборки из светодиодов DORADO

ступиться некоторыми светотехническими параметрами при поиске компромисса в решении данной задачи. При этом необходимо учитывать, что пиковая длина волны изменяется примерно на 0,1 нм на каждый 1 °С

изменения относительно комнатной температуры (25 °C). Световой поток также меняется в значительных пределах. Необходимо предусмотреть уменьшение прямого тока через светодиод, если невозможно снизить тепловое сопротивление при повышении температуры окружающей среды.

Заключение

В заключение еще раз обращаем внимание разработчиков на важность анализа теплового режима работы мощных светодиодов. Приведенные выше примеры упрощены для облегчения понимания основных принципов расчета тепловых режимов. Благодаря малым размерам корпуса, использованию кристаллов и технологий американской фирмы CREE мощные светодиоды DORADO производства COTCO Ltd — это надежное и эффективное решение для случаев, когда требуется обеспечить работу сборки светодиодов, расположенных рядом в небольшом пространстве (рис. 9). ■

Литература

1. w ww.cotco.c om

2. w ww.marktechopto.c om

3. ww w.cree.c om

4. w ww.zolshar.r u

5. ww w.powerled.r u

6. w ww.e-neon.r u