Gestione termica per l’illuminazione creativa

Fig. 4 GapFiller_1500LV_WEB

Una sorgente di luce a Led può avere una vita di 50.000 ore o più, al variare della temperatura della giunzione durante il suo funzionamento. In generale, minore è la temperatura, maggiore è la vita utile dell’emettitore. Nella pratica, i progettisti possono controllare la temperatura di funzionamento mediante diversi fattori, quali la corrente di pilotaggio, il numero di emettitori e il costo legato alla gestione termica, così che la lampada abbia una durata accettabile per una determinata applicazione. Un design efficiente, che abbia una bassa resistenza termica fra la giuzione e l’ambiente, ha così la possibilità di utilizzare un dissipatore termico più piccolo, cosa che potrebbe essere utile per assicurare alla lampada a Led la conformità ai fattori di forma stabiliti dall’industria dell’illuminazione, come le dimensioni standard. I Led, se pilotati opportunamente e raffreddati in modo adeguato, tendono a non presentare quegli improvvisi guasti disastrosi caratteristici delle lampade a incandescenza. Essi presentano piuttosto un calo costante dell’emissione luminosa nel tempo. La vita media dei Led è indicata spesso con la sigla L70 che rappresenta il tempo di funzionamento dopo il quale la sorgente a Led presenta un decadimento pari al 30% rispetto al flusso luminoso iniziale. Assicurare che il sistema termico possa mantenere la temperatura di giunzione stabile in condizioni di funzionamento continuo è anche importante per garantire un’illuminazione costante. Se la temperatura di giunzione aumenta, la lunghezza d’onda della luce emessa aumenta anch’essa. Mantenere costante il colore è particolarmente importante nel caso della luce bianca, perché l’occhio umano è in grado di distinguere differenze molto piccole nella temperatura di colore. Nel caso di una matrice di Led è importante mantenere una resistenza termica costante fra una giunzione e la successiva, in modo da consentire alla lampada di mantenere un colore uniforme. La prestazione termica influenza anche il flusso luminoso che un Led è in grado di emettere. Una gestione termica più efficiente per il trasferimento del calore consente di applicare al Led una corrente di pilotaggio più elevata ottenendo dunque una maggiore emissione di luce alla temperatura del die prefissata. Questo fornisce una maggiore flessibilità ai progettisti. Da un lato, un numero inferiore di Led possono essere pilotati ad una corrente più alta per ottenere un determinato standard di illuminazione, riducendo in questo modo le dimensioni e il costo dei materiali in distinta. Dall’altro, l’utilizzo di un numero superiore di Led, funzionanti a una temperatura inferiore, può generare un flusso complessivo di intensità paragonabile al precedente, ma ad una temperatura inferiore dei die così da aumentare la durata della lampada.


Il sistema termico

La Fig. 1 mostra la configurazione tipica di una lampada a Led. Come sistema termico, l’efficienza con cui il calore è portato via dalla giunzione e trasferito all’ambiente circostante, principalmente per conduzione attraverso i diversi materiali, ha un effetto notevole sulla emissione luminosa, sull’affidabilità e sulla costanza del colore in relazione alle dimensioni e alla forma della lampada. I progettisti possono gestire le prestazioni termiche usando una varietà di tecniche quali la selezione dei materiali, la minimizzazione delle interfacce termiche, l’eliminazione dell’aria dalle interfacce fisiche fra i componenti, il dimensionamento dei dissipatori. Una varietà di materiali termici è stata messa a disposizione dei progettisti allo scopo di aiutarli ad ottenere le prestazioni termiche richieste nel modo più efficace possibile all’interno dei vincoli di forma imposti dalle dimensioni desiderate per il supporto.

Un substrato più efficiente

I materiali FR4 standard utilizzati nei circuiti stampati possono richiedere più estese metallizzazioni, ovvero piazzole di saldatura allargate o fori di via metallizzati, nella fase iniziale di dimensionamento del sistema termico progettato per estrarre il calore dalla giunzione dell’emettitore. Caratteristiche di questo tipo aumentano il costo di produzione del Pcb. In alternativa, l’utilizzo di un substrato metallico isolato come il Thermal-Clad Bergquist di Henkel, presenta caratterisitiche e prestazioni nettamente superiori rispetto al classico FR4, non richiedendo quindi ulteriori soluzioni per migliorare le prestazioni termiche. L’Ims ha una base metallica, che è rivestita con uno strato dielettrico sul quale viene depositato lo strato circuitale. Sono disponibili diverse configurazioni, tra le quali pannelli, custom Pcb e un’ampia gamma di configurazioni standard, su circuiti quadrati o starled, sulla base dei tipici footprint definiti da produttori di Led come Osram, Cree, Lite-On, Lumileds, Seoul, Avago, Nichia e Lumex. Per i substrati Ims, in generale, il tipo e lo spessore del substrato metallico e il tipo di dielettrico determinano le prestazioni termiche del materiale. Henkel offre numerose tipologie di dielettrico che presentano diverse caratteristiche e sono ottimizzate per una gamma di applicazioni che includono non solo l’illuminazione allo stato solido, ma anche azionamenti di motori, alimentatori e apparecchi che sono soggetti a condizioni ambientali ostili.

Materiali versatili per l’assemblaggio

Si dovrebbero adottare principi solidi di progettazione termica lungo l’intero processo di costruzione della lampada, incluso il contatto fra l’Ims e il dissipatore termico. È buona prassi introdurre un sottile strato di materiale di interfaccia termica fra l’Ims e il dissipatore per eliminare la presenza di aria che impedisce il trasferimento del calore. Sono disponibili una varietà di materiali termici, incluso il grasso termico Tic (Thermal interface compound) Bergquist di Henkel, o il materiale a cambiamento di fase Hi-Flow. L’Hi-Flow è solido a temperatura ambiente, il che ne semplifica la gestione e il posizionamento. Quando il componente raggiunge la propria temperatura operativa, l’Hi-Flow cambia il proprio stato e diventando pastoso, penetrando così le superfici di contatto e comportandosi in modo simile al grasso termico. L’Hi-Flow ritorna allo stato solido quando si raffredda al di sotto della temperatura di cambiamento di fase, dopo lo spegnimento della lampada. In alternativa, sono disponibili materiali elastomeri termicamente conduttivi come il Gap Pad o il Gap Filler, in varie forme e configurazioni pretagliate da inserire fra il substrato metallico e il dissipatore. In assemblaggi che richiedono l’accoppiamento del dissipatore al substrato metallico, è possibile usare un biadesivo termico per massimizzare il trasferimento termico dall’Ims al dissipatore. Il biadesivo può essere applicato facilmente, e l’elevata forza di tenuta elimina la necessità di viti, montaggi a clip o altri fissaggi tradizionali. Fra i biadesivi il Bond-Ply Bergquist (Fig. 3) è un nastro sensibile alla pressione che si lega immediatamente alle superficie interessata e non richiede particolari trattamenti termici. Sono disponibili tipologie rinforzate con fibra di vetro o non rinforzate, con prestazioni termiche che vanno da 4.0°C/W fino a 6.5°C/W. Sono anche disponibili substrati in Thermal-Clad con configurazione standard quadrata o starled adesivizzati con il materiale Bond-Ply 450 preapplicato, che consentono un posizionamento di precisione e un comodo montaggio tramite il sopra citato materiale Biadesivo che crea un legame solido e termicamente conduttivo. L’adesivo è in grado di sopportare l’esposizione alle alte temperature di reflow durante la saldatura del Led al substrato metallico, prima di essere montati all’interno dell’applicazione di illuminazione.

Un materiale conduttivo per l’incapsulamento

Molti costruttori di apparecchi, inclusi gli assemblatori di sistemi di illuminazione a Led, richiedono un sistema economico di incapsulamento per gli apparati elettronici, in particolare per i circuiti stampati, così da proteggere i componenti sensibili e le interconnessioni e da renderli facili da usare. Technomelt di Henkel è un composto di sovrastampaggio che può incapsulare piccoli circuiti stampati, e quindi ridurre i costi di produzione per un incapsulamento realizzato su misura. Il processo di sovrastampaggio a bassa temperatura è rapido ed economico e richiede solo uno stampo di base, evitando in questo modo costi elevati per le attrezzature. È disponibile una nuova formulazione del materiale con caratteristiche di conducibilità termica, ideale per incapsulare la scheda di pilotaggio del sistema di illuminazione a Led o creare l’intero alloggiamento della lampada a Led.

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