ITL Spec Led-20:ITL Spec Led-19 - Welt Electronic

ITL Spec Led-20:ITL Spec Led-19 11/01/10 09:58 Pagina CDXXXV
CDXXXV

ITL Spec Led-20:ITL Spec Led-19 11/01/10 09:59 Pagina CDXLIV
SPECIALE LED SPECIALE LE
IL “THERMAL
MANAGEMENT” DEL LED
PER L’OTTIMIZZAZIONE
DELLE PRESTAZIONI
Ing. Stefano Sciolè
Bergquist Product Manager
- Welt Electronic Spa
Con la loro alta densità di potenza,
lunga durata e piccole dimensioni,
i LED stanno diventando
la sorgente luminosa preferita
in una gamma sempre più
vasta di applicazioni. Un appropriato
“thermal management” è
la chiave di volta per ottimizzare
e migliorare la durata e l’efficienza
del LED.
I Diodi ad Emissione di Luce
(LED) sono sul mercato da più di
trent’anni e sono diventati componenti
di uso comune in una
vasta gamma di applicazioni
“consumer” e da ufficio. Nella
maggior parte di queste applicazioni,
i cicli di utilizzo del prodotto
finale sono tali che vi è un
numero significativo di probabilità
che il prodotto si guasti o
raggiunga il termine del sua vita
utile molto prima che il LED subisca
una reale degradazione
delle prestazioni. Per questo, il
fatto di migliorare la vita del
LED è stato fino ad oggi raramente
considerato un criterio
chiave di progetto. Adesso, comunque,
la situazione sta cambiando
grazie alle elevate prestazioni
dei LED oltre che alla significativa
crescita nel mercato
dei componenti a montaggio superficiale
quali i “powerLED”
Un fattore chiave è che questi
componenti, un tempo semplici
indicatori di stato o componenti
per retroilluminazione, stanno
diventando sempre più una
valida alternativa alla luce convenzionale
ad incandescenza,
fluorescenza, e, in certi casi, anche
alle sorgenti alogene, in applicazioni
che spaziano dalla segnaletica
per il traffico all’automotive.
L’utilizzo dei LED in
questo tipo di applicazioni a
“più lunga durata” pone l’esigenza
di ottimizzare la durata e
il ciclo di vita del LED stesso e
ciò si traduce in definitiva nel
fatto che la necessità di proteggere
la sorgente luminosa da aumenti
indesiderati di temperatura
diventi molto più importante
che in passato. Oggi, ad un costo
relativamente contenuto, è
possibile migliorare notevolmente
la vita dei LED e mantenerne
inalterata l’emissione luminosa
per molto tempo. Tutto ciò, con
un’estrema semplicità di montaggio
e di industrializzazione.
In questa sede verrà presa in
esame la tecnologia I.M.S. (Insulated
Metal Substrate) e alcune
delle sue ultime applicazioni e
potenzialità.
Effetti della temperatura
sui LED di potenza.
Come nel caso di altri svariati
componenti elettronici, il calore
è il più grosso ostacolo al corretto
e normale funzionamento di
un LED. Anche se i più ritengono
il LED un dispositivo “freddo”,
in realtà questo componente
produce una quantità di calore
significativa in relazione alle
sue dimensioni (Fig.2).
Fig. 2: Schema di principio che
illustra la dissipazione termica
di un LED ad alta luminosità
Questo calore non soltanto può
essere causa di danni all’integrità
elettrica del LED (eventualmente
portando ad un guasto
del componente), ma può anche
interessare l’intensità luminosa e
la variazione del colore della luce
emessa nel tempo.
Quest’ultima, di norma espressa
in termini di lunghezza d’onda,
può essere indicata in funzione
della temperatura utilizzando la
relazione seguente dove :
= variazione della lunghezza
d’onda dominante (nm)
= variazione della temperatura
della giunzione del die(°C)
Fig. 3: Relazione lineare che lega
l’andamento della lunghezza
d’onda di un LED blu alla
variazione di temperatura
della sua giunzione.
Per quel che riguarda gli effetti
della temperatura sulla quantità
di luce emessa, possiamo rappresentare
nel grafico sotto,
sempre per un led blu, la variazione
di intensità luminosa relativa
in funzione della temperatura
della giunzione (Fig. 4):
Fig. 4: Intensità luminosa in
funzione della temperatura di
giunzione.
Come si può notare dal grafico,
in questo caso la quantità di luce
diminuisce all’aumentare della
temperatura di giunzione. Oltre
a ciò dobbiamo anche considerare
che la densità di potenza
è direttamente correlata alla
quantità di luce emessa dal LED.
In pratica, aumentando la corrente
di alimentazione del LED a
parità di temperatura della giunzione,
si otterrà una maggiore
emissione di luce. Il grafico seguente
mostra la variazione
Fig. 1:
Star Led montato su dissipatore tramite biadesivo termoconduttivo.
CDXLIV
In pratica all’aumentare della
temperatura della giunzione la
lunghezza d’onda della luce
emessa aumenta. Il tutto può essere
rappresentato nel caso di un
led blu ( = 470nm), nel grafico
seguente (Fig. 3):
Fig. 5: Emissione di luce in
funzione della corrente di
alimentazione del LED

ITL Spec Led-20:ITL Spec Led-19 11/01/10 09:59 Pagina CDXLV
ED SPECIALE LED SPECIALE L
dell’intensità luminosa in funzione
della corrente con la quale il
LED viene alimentato (Fig. 5).
In conclusione, la temperatura
di giunzione del die è responsabile
della durata del LED ed un
aumento di tale temperatura è
correlato ad una minore efficienza
del dispositivo che converte
energia in calore invece
che in luce (Fig. 6).
Fig. 6: Emissione % di luce in
funzione della temperatura di
giunzione del die
Thermal Clad Bergquist e
tecnologia I.M.S.
Una delle chiavi per mantenere
costante l’emissione di un LED
ad alta intensità per un ampio
periodo di tempo, è quella di
usare appropriati materiali per il
“thermal management” che possano
efficientemente dissipare il
calore generato dalla giunzione
del LED. Per questo motivo, i
progettisti hanno rivolto la loro
attenzione a materiali particolari
a substrato metallico isolato
(I.M.S.). Un valido esempio riferito
a questa classe di materiali è
rappresentato dalle soluzioni
I.M.S. che prevedono il Thermal
Clad progettato e prodotto da
Bergquist Company.
Progettato originariamente per
fornire soluzioni di “thermal management”
in applicazioni a
montaggio superficiale ad alta
densità di potenza dove le dimensioni
della giunzione fossero
ridotte e la dissipazione termica
fosse il problema più difficile
da risolvere, il Thermal Clad
è davvero adatto alle nuove applicazioni
a LED la cui durata
deve essere maggiore ed in cui
la dissipazione del calore è uno
dei più importanti criteri di progetto.
In particolare il T-Clad minimizza
l’impedenza termica e
permette un migliore e più efficiente
flusso del calore rispetto
ai materiali tradizionali utilizzati
Fig. 7: Struttura del Thermal Clad
nei circuiti stampati, come ad
esempio l’ FR-4 garantendo temperature
operative più basse che
comportano un funzionamento
del LED più duraturo e costante
nelle prestazioni, ed in ultima
analisi, una maggior durata del
prodotto finale.
I circuiti stampati basati sui materiali
in Thermal Clad a substrato
metallico isolato sono costituiti
da uno strato di rame su cui
viene realizzato il circuito elettrico,
uno strato dielettrico caricato
con materiali termicamente
conduttivi, e uno strato metallico
di supporto (Fig. 7).
Lo strato di dielettrico caricato
(che è omologato UL, così da
semplificare eventuali richieste
di omologazione sul prodotto
finito) unisce le caratteristiche
di isolamento elettrico ad un’alta
performance nel trasferimento
di calore dal Circuit al Base
Layer, oltre a garantire un legame
e un’adesione perfetta tra
strato metallico di supporto e
circuito elettrico. Inoltre, il dielettrico
garantisce una migliore
performance termica, se paragonato
ad altri dielettrici fabbricati
utilizzando la più comune
fibra di vetro , o rispetto a materiali
biadesivi funzione della
pressione applicate (PSA’s), anch’essi
disponibili in Bergquist
(BOND PLY materials). Oltre a
ciò i substrati in T-Clad risultano
essere anche meccanicamente
più robusti rispetto alle
ceramiche a film spesso utilizzate
comunemente e ai dispositivi
come la DBC (Direct Bond
Copper). L’ampia gamma di materiali
I.M.S. Thermal Clad Bergquist
attualmente disponibile
sul mercato, con un’ampia varietà
di performances termiche
legate ai diversi spessori e tipologie
di dielettrico, soddisfa
quasi la totalità dei requisiti di
dissipazione termica e di potenza
di oggi e di domani. Lo strato
su cui viene realizzato il circuito
elettrico (Circuit Layer) può
essere fornito in spessori standard
di rame che vanno da 35 a
350 µ mentre lo spessore dello
strato metallico di supporto (Base
Layer), normalmente in alluminio,
può variare da 1 a 3,2
mm. Nel settore Lighting normalmente
il materiale standard
ha una configurazione che prevede
uno spessore di Base Layer
di 1,6 mm e un rame circuitale
di 35 o 70 µ. In applicazioni
speciali ad alte prestazioni, si
utilizza solitamente il rame per
lo strato di base, in spessori
che, dato il peso specifico elevato
di questo metallo, non superano
di norma i 2 mm.
CDXLV