LED Üzerindeki Isıyı Transfer Edebilmek İçin Malzeme Seçimi

Cambridge Nanotherm firmasının Market Müdürü John Cafferkey Ledsmagazine dergisinde yayımlanan detaylı araştırmasını sonucunda yüksek güçlü LED’lerde soğutma mercek altına alındı. Yaygın pek çok LED mimarisi ve paketleme tiplerini içeren yazının faydalı olduğunu düşünerek yazıyı, siz okurlarımızla paylaşıyoruz.

LED’ler aydınlatma marketinin genel talebi olan parlaklığı sağlayabilmek için gün geçtikçe daha parlak olarak tasarlanmaktadır. Yeni bir teknoloji olan LED lambaların geleneksel lambalara göre aynı boyutlarda olması gerekirken parlaklığından da ödün vermemesi isteniyor. Bu da termal bir engel olarak üreticilerin karşısına çıkıyor. Ortalama bir yüksek-aydınlatmalı (HB-High Brightness) LED elektriğin sadece %45‘ini görünür ışık olarak salarken, geri kalanını ısıya dönüştürüyor. Bu ısının da LED üzerinde geri dönülemez hasar etkisini önleyebilmek için sistemden olabildiğince hızlı bir şekilde uzaklaştırılması gerekiyor. HB-LED’lerde olduğu gibi yüksek güç girişlerinde bu açığa çıkan ısı miktarı daha fazla artmakta ve bu durum da ısı problemini ortaya çıkartmaktadır.

LED üreticileri bu problemin üstesinden gelebilmek için farklı yaklaşımlarda bulunmuş ve tüm bu çabalar LED paketleme ile başlamıştır. Paketleme içerisinde pek çok fonksiyon bulunduran bir aşamadır. Bu aşamada LED kalıbın fiziksel korunması sağlanırken aynı zamanda armatür üzerine sabitleme işlemi de gerçekleştirilmektedir. Fakat bu işlem aynı zamanda LED kalıbın ısı aktarım prensibini de oluşturmaktadır. Paket içerisinde bulunan LED üzerinden ısıyı uzaklaştırmanın tek yolu paketin arkasından kondüksiyon yoluyla olmaktadır. Bunu da sağlayabilmek için paketin arka kısmına termal iletkenliği yüksek olan bakır koyularak soğutma işlemi basitçe yürütülebilir. Fakat bu durumda LED ile bakır arasındaki yüzey elektriksel olarak yalıtılmış olmalıdır. Bu yüzden endüstri termal olarak iletken fakat dielektrik malzemeye ihtiyaç duymaktadır.

LED üreticileri sürekli olarak giderlerini düşürme gayreti içerisindeler. Bunu da pahalı materyallere alternatif malzemeler kullanarak sağlamaktalar. Sektördekilerin nihai hedefi, ürünleri akkor lambalardan da daha ucuz hale getirerek halkın erişimini kolaylaştırmaktır.

Yukarıdaki şekilde farklı markaların farklı tiplerdeki paketleme tercihlerini görmekteyiz. Samsung ve Lumileds firmasının LED’leri chip-scale package (CSP), Cree’nin LED’i ise chip-on-board (COB) tekniği ile paketlenmiştir.

Yaygın olarak kullanılan iki paketleme yaklaşımı bulunmaktadır. Üreticiler aydınlatma ürününün özelliğine göre tek bir büyük LED yada kırmızı, yeşil ve mavi renk içeren LED demeti kullanabilmektedirler ve bunları SMT (surface-mount technology) yöntemi ile yada COB (Chip on Board) yöntemiyle montajlamaktadırlar. COB tekniği ile paketlenmiş Cree marka LED’i Şekil.1 de görebilirsiniz. COB tekniği ile paketlemenin tekniğinde, LED direkt olarak PCB ye monte edildikten sonra paketleme işlemi yapılırken pek çok proses aşamasının uygulanmasına gerek kalmadığı için daha maliyet odaklı bir üretim sağlanmış oluyor. Fakat COB ile paketlenmiş LED’lerin dezavantajı ise geniş açıda ışık yaymasıdır. Geniş açıda ışık yayımı sokak aydınlatma armatürleri gibi uygulamalar için iyi bir seçenek olsa da, yönlü ışık huzmesi gerektiren otomobil farlarındaki uygulamalar açısından dezavantaj yaratmaktadır.

Yönlü ışık huzmesi gerektiren HB LED uygulamalarında temel gereklilik, paketleme substratının her iki tarafının da bakır ile “circuitized” olması gerekir fakat bakır elektronik olarak da iletken olduğundan dolayı devrenin diğer kısmından izole edilmesi gerekir. Günümüzde bunu en iyi sağlayan electronics-grade seramik malzemelerdir. Seramikler doğal dielektrik malzemelerdir ve bazı seramiklerin ise üstün ısı iletkenliği vardır. Dolayısıyla HB LED uygulamalarında seramik kullanımı iyi bir seçim olacaktır.

LED paketlemede genellikle 2 tip seramik çeşidi kullanılmaktadır. Bunlar Al2O3 (alüminyum oksit diğer bir adıyla alümina) ve AlN (alüminyum nitrit)’dir. Aluminanın termal performansı zayıf olmasına rağmen (20-30W/mK) ekonomik bir malzemedir. AlN ise bunun tam tersi bir özellik sergilemektedir. Bu malzemenin (170-200W/mK arasında olan termal performansın fiyatı ise alüminaya göre sekiz kat daha fazladır. Şekil 2 üzerinden termal performansa karşı malzeme birim fiyatını görebilirsiniz.

HB LED’ler çeşitli özeliklerine göre kendi aralarında sınıflandırılabilirler. HB LED tanımı çok geniş olduğundan, tüm ürünlere HB LED demek biraz yanlış olacaktır.

1. Tekli kalıp olarak paketlenmiş HB LED (1W)
2. Tekli kalıp olarak paketlenmiş HB LED (3W)
3. Çoklu paketlenmiş HB LED (10W)
4. Multiple SMT/CSP devices (>10W)
5. Small COB array (10W)

Şeklinde HB LED ünitelerini sınıflandırabiliriz.

1 ve 2. maddede bahsedilen tek kalıp LED’i aşağıdaki görselde görebilirsiniz.

Şekildeki turuncu bölgeler yüksek ısıl iletkenliğe sahip olması istenen dielektrik materyali göstermektedir.

Multiple SMT/CSP devices (>10W) örneği ise aşağıdaki görselde verilmiştir. Tip olarak mid-power SMT yada chip-scale package (CSP) ye çok benzemektedirler. Eğer bu paketleme tipinde LED boşluğu yeterince varsa, FR4 PCB malzemesi substrat olarak kullanılabilecektir. Fakat LED’i soğutmak LED ömrünü uzatacağından MCPCB ve nanoseramik kullanmak bu sınıfta en üstün ürünleri yaratacaktır.

Aşağıdaki görselde ise COB yöntemi ile paketlenmiş üniteyi görmektesiniz. COB ile paketlenmiş ürünler küçük olmasına rağmen pahalı olabilmektedirler. Ünitenin küçük olması daha yoğun paketlemeyi gerektirdiğinden daha fazla ısı üretimi olmakta ve ünitenin ışık gücüne göre çeşitli nanoseramik ürünlerin kullanılması gerekmektedir.

Sonuç olarak HB LED’lerin termal yönetimi her tip için farklı özellikte olmakta ve her yeni dizayn için yeni malzeme çeşitleri kullanılabilir. En geleneksel termal substrat olarak MCPCB, Al2O3 (alümina), AlN gibi termal iletkenliği 30W/mK üzerinde olan malzemeler tercih edilmektedir. Gelecekte, ısıl iletkenliği 170 W/mK üzerinde olan nanoseramikler ise bu senaryoyu bütünüyle değiştirebilecek malzemeler olabilir. Bunlara oranla nispeten daha ucuz olan AlN projeleri ise maliyetler azaltılarak Aluminaya göre daha iyi performanslı malzemeler HB LED kalitesini arttırabilir.