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Impedire una temperatura di giunzione eccessiva per i LED

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

In genere, il LED HB (alta luminosità) converte in fotoni visibili solo circa il 45% dell'energia applicata, mentre il resto genera calore. Se questo calore non viene dissipato in modo adeguato, il LED si surriscalda e può causare un guasto irreparabile. Anche se non si dovesse produrre un guasto grave, una temperatura di giunzione elevata in un LED può causare una riduzione nell'emissione luminosa, cambiamenti di colore e/o una riduzione significativa della durata prevista.

Questo articolo mostra come calcolare la temperatura di giunzione e illustra l'importanza della resistenza termica. Esamina alternative di contenitori per LED a resistenza termica più bassa, come progetti chip-scale (CSP) e chip-on-board (COB), e si occupa dei fattori che influenzano le prestazioni di dissipazione del calore.

Come viene generato il calore e come incide su un LED

Quando sulla giunzione P-N di un LED viene applicata correttamente una tensione sufficiente, la corrente attraversa la giunzione generando sia luce che calore. Tuttavia, il LED HB (alta luminosità) converte in luce solo circa il 45% dell'energia applicata, mentre il resto genera calore.

Dato che la giunzione P-N è piccola, il valore di generazione di calore per area unitaria è elevato: un LED da 1 W, 1 mm2 può generare anche 100 W/cm2. Man mano che la temperatura di giunzione aumenta, diminuiscono sia la tensione diretta che la resa in lumen del LED. Per prolungare la loro durata e mantenerne le prestazioni, la temperatura di giunzione dei LED deve essere tenuta entro le specifiche del produttore, durante il funzionamento.

Come illustrato nella Figura 1, a una corrente operativa costante, la tensione diretta diminuisce di circa 20 mV ogni 10°C di aumento della temperatura di giunzione. Più specificamente, la tensione diretta a una corrente costante di 350 mA diminuisce di 0,17 V quando la temperatura di giunzione del LED sale da 25 °C a 80 °C.

Immagine di alte temperature di giunzione dei LED che riducono la tensione diretta

Figura 1: Alte temperature di giunzione dei LED riducono la tensione diretta. (Fonte: OSRAM)

Analogamente, l'emissione luminosa scende del 10% quando la temperatura di giunzione sale da 25 °C a 80 °C come illustrato in Figura 2. Se il LED produce 90 lumen a 25 °C, produrrebbe solo 81 lumen a una temperatura di giunzione di 80 °C. Detto semplicemente, a una corrente operativa costante, l'efficienza luminosa diminuisce di circa 1,8% ogni 10 °C di aumento della temperatura di giunzione.

Immagine di una temperatura di giunzione dei LED superiore che diminuisce l'emissione luminosa

Figura 2: Una temperatura di giunzione dei LED superiore diminuisce l'emissione luminosa. (Fonte: OSRAM)

La lunghezza d'onda dominante di un LED è quella dei fotoni emessi in modo predominante che determina il colore del LED. Per un LED monocromatico come quello rosso da 626 nm illustrato nella Figura 3, la lunghezza d'onda dominante aumenta con una temperatura di giunzione superiore, alterando il colore.

Immagine di una temperatura di giunzione superiore che sposta la lunghezza d'onda dominante

 

Figura 3: Una temperatura di giunzione superiore sposta la lunghezza d'onda dominante, cambiando di conseguenza il colore del LED. (Fonte: OSRAM)

Calcolo della temperatura di giunzione

L'efficienza di dispositivi di illuminazione a stato solido dipende fortemente dalla temperatura di giunzione che a sua volta dipende principalmente da tre fattori: potenza applicata, resistenza termica tra la giunzione dei LED e la temperatura ambiente e la temperatura ambiente stessa. La potenza applicata determina la quantità di calore generato, mentre la resistenza termica e le condizioni ambiente determinano l'efficienza con cui il calore può essere dissipato.

La resistenza di due importanti percorsi termici incide sulla temperatura di giunzione. Il primo riguarda la resistenza tra la giunzione del LED e il contatto termico in fondo al contenitore. Il secondo riguarda invece la resistenza dal contatto termico all'ambiente.

La temperatura della giunzione del LED (TJ) è la somma della temperatura ambiente (TA) e del prodotto della resistenza termica dalla giunzione all'ambiente (Rth j-a nell'equazione sotto) e Pd, la potenza dissipata (If x Vf). La resistenza termica è definita come l'aumento della temperatura di un componente per unità di potenza dissipata in unita di °C/W.

L'equazione è: Equazione 1

Per assicurare le massime prestazioni termiche, quando si progetta un sistema di illuminazione è fondamentale capire il percorso termico del dispositivo LED dalla giunzione all'ambiente. Per semplificare le cose, qui ci occupiamo unicamente della somma della resistenza tra la giunzione del LED e l'ambiente, ma in un sistema reale di illuminazione a LED vi sarebbe un certo numero di resistenze che definiscono ili percorso termico dell'intero sistema.

La bassa resistenza termica permette ai LED di essere pilotati a correnti maggiori per aumentare la luminosità, senza rischi eccessivi di guasti prematuri dovuti al surriscaldamento. La temperatura di giunzione massima e la resistenza termica di un LED dovrebbero essere indicate nella scheda tecnica del produttore.

Il tipo di contenitore può venire in soccorso

La resistenza termica dalla giunzione del LED al contatto termico in fondo al contenitore dipende dal progetto del contenitore. Consapevoli di questo fatto, gli ingegneri si sono concentrati sullo sviluppo di disegni termicamente più efficienti come dispositivi CSP (Chip-Scale Package) e LED COB (Chip-On-Board).

La tecnologia CSP elimina il tradizionale sottomontaggio per collegare direttamente il chip del LED alla scheda stampata (Figura 4). Fino a poco fa, i CSP non erano usati spesso per i LED a causa della difficoltà di estrarre calore da dispositivi così minuscoli. Tuttavia, aumenti di efficienza e una maggiore tolleranza alla temperatura hanno risolto questo problema.

Immagine dei numerosi vantaggi della tecnologia CSP

Figura 4: I molti vantaggi della tecnologia CSP comprendono una minore resistenza termica. (Fonte: Samsung Semiconductor)

Non esiste una definizione standard per un CSP, ma l'industria considera in genere come "LED CSP" qualsiasi dispositivo di dimensioni uguali, o fino al 20 percento maggiori rispetto all'area di emissione luminosa del LED. I CSP hanno una resistenza termica inferiore a quella dei LED tradizionali, principalmente grazie all'interfaccia metallo-metallo tra il LED CSP e la superficie di dissipazione del calore della scheda.

Ad esempio, SCP8RT78HPL1R0S06E di Samsung Semiconductor ha una resistenza termica del contenitore di soli 2°C/W. La tecnologia CSP di Samsung riduce le dimensioni di un contenitore LED tradizionale combinando la tecnologia flip-chip con quella di rivestimento al fosforo, eliminando di conseguenza la necessità di stampi in metallo e in plastica.

Nell'approccio COB, i produttori mettono un certo numero di chip direttamente su un substrato. La bassa resistenza termica delle matrici di LED serie Vero e V di Bridgelux, che va da 1,6°C/W a soli 0,25°C/W, è resa possibile dalla struttura a chip dei LED in cui il percorso termico e quello elettrico sono separati.

Per un buon trasferimento termico è necessario collegare un LED a un dissipatore di calore pulito, piatto e liscio. Inoltre, occorre usare un materiale di interfaccia termica (TIM) tra il LED e il dissipatore di calore. Il fornitore di LED Cree sostiene che il retro della sua famiglia di LED CX a substrato ceramico (ad esempio CXA1304-0000-000C00A427F) è dieci volte più liscio del retro del substrato in alluminio usato spesso su altri LED COB.

Per determinare la planarità di un dissipatore di calore, Cree suggerisce di usare una lama di rasoio come righello per misurare qualsiasi spazio fra il bordo della lama e il dissipatore di calore (Figura 5.)

Immagine del controllo della planarità del dissipatore di calore

Figura 5: Controllo della planarità del dissipatore di calore. (Fonte: Cree)

Materiali dell'interfaccia termica e dissipatori di calore

Un tipico sistema di illuminazione a LED è costituito da più contenitori di LED HB che sono fissati a un substrato e montati su un dissipatore di calore. Dato che i LED non emettono radiazione di calore come le tradizionali lampade incandescenti, il calore che generano deve essere allontanato attraverso il substrato. I substrati termici tradizionali includono due tipi di substrati ceramici: Al2O3 (ossido di alluminio o alumina) e AlN (nitruro di alluminio). Durante l'assemblaggio, la superficie inferiore del substrato dovrebbe essere completamente a contatto con la superficie di montaggio di un dissipatore di calore. Tra il LED e il dissipatore di calore viene utilizzato un materiale di interfaccia termica (TIM) per riempire i piccoli vuoti e spazi d'aria e agevolare la conduzione del calore. Se vi è dello spazio tra il LED e il dissipatore di calore, il percorso termico non sarà altrettanto efficiente. I TIM possono essere adesivi, grassi, gel, cuscinetti, leghe di saldatura e resine epossidiche.

Il dissipatore di calore è l'ultimo componente integrale dello stack termico. I dissipatori di calore allontanano il calore dal LED, contribuendo a mantenere la temperatura di giunzione entro limiti accettabili. I progettisti dovrebbero tener conto della superficie del dissipatore di calore, dell'area della superficie, dell'aerodinamica, del trasferimento termico e del montaggio.

I dissipatori di calore operano in tre modi: conduzione (trasferimento del calore da un mezzo solido a un altro solido), convezione (trasferimento del calore da un solido a un fluido in movimento, solitamente l'aria) o irraggiamento (trasferimento del calore da due corpi con temperature delle superfici diverse). I dissipatori di calore in genere sono fatti di metalli come l'alluminio o il rame, e presentano numerose alette per aumentare l'area della loro superficie (Tabella 1).

Materiale Conducibilità termica (W/mK)
Ferro 79,5
Alluminio 205
Rame 385
Aria (a 0 °C) 0,024

Tabella 1: Conducibilità termica dei materiali comuni dei dissipatori di calore e dell'aria (Fonte: Bridgelux)

Possono essere adottati metodi di raffreddamento passivo o attivo, con il dissipatore di calore a coadiuvare l'azione. Come regola empirica, dovrebbero esservi circa 65 cm quadrati di superficie di dissipazione del calore per ogni watt di potenza da dissipare.

Conclusione

La maggior parte delle cause di guasto dei LED dipende dalla temperatura. Anche se una temperatura di giunzione elevata in un LED non provoca un guasto, può causare una riduzione nell'emissione luminosa, cambiamenti di colore e/o una riduzione significativa della durata prevista. Questo articolo ha mostrato come calcolare la temperatura di giunzione e ha illustrato l'importanza della resistenza termica. Sono state esaminate inoltre alternative di contenitori per i LED a resistenza termica più bassa, come progetti chip-scale (CSP) e chip-on-board (COB), e i fattori che influenzano le prestazioni di dissipazione del calore.

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