Thermal characterization of LED-modules

Olli Tapaninen

Research output: ThesisMaster's thesisTheses

Abstract

Light Emitting Diode (LED), eli valoa emittoiva diodi on puolijohdekomponentti, joka muuttaa sähkön valoksi. Valo syntyy ilmiössä nimeltä elektroluminesenssi. Tutkielman aihe on LED-komponenttien lämpökarakterisointi. Tutkielmassa tutustutaan LED-teknologian historiaan ja LED-sirun toimintaan. LED-valojen käyttötarkoituksia esitellään lyhyesti ja LED-valojen käytön haasteita perusvalaisussa kuvaillaan. Tutkielman teoreettisessa osassa käsitellään yksiulotteisen useasta materiaalista koostuvan kappaleen lämmönjohtumisen teoriaa ja osoitetaan, että tällaisen kappaleen rakenne ilmenee jäähtyvän pinnan lämpötilan muutoksessa ajan suhteen. Kappaleen jäähtymisen yhteys kappaleen termiseen rakenteeseen selvitetään ja matemaattinen linkki piiriteorian ja lämmönjohtumisen fysiikan välillä osoitetaan toimivaksi. Termiselle rakenteelle kuvataan piiriteoriaan ja termisiin resistansseihin ja kapasitansseihin perustuva esitystapa, jota kutsutaan rakennefunktioksi. Tutkielman kokeellisessa osassa lämmön johtumisen teoriaa sovellettiin kahden eri piirilevytyypin lämmönjohtavuuden vertailuun. Piirilevyt valmistettiin kahdella eri tekniikalla, joista ensimmäinen oli metallipohjalle painettu piirilevy ja toinen metallipohjalle paksukalvotekniikalla painettu piirilevy. Metallipohjan päälle painetussa piirilevyssä on kerrosrakenne, jossa metallilevy päällystetään ensin sähköä eristävällä materiaalilla. Eristekerroksen päälle painetaan sähköjohtimet elektroniikkakomponentteja varten, jonka jälkeen painetaan suojaava eristekerros. Eristekerrosten materiaalit ovat yleensä huonosti lämpöä johtavia. Paksukalvotekniikalla tehdään samanlainen rakenne ohuemmilla kerroksilla. Paksukalvotekniikka mahdollistaa myös pienten lämpöläpivientien painamisen komponenttien alle paremman lämmönsiirtymisen varmistamiseksi. LED-komponentteja käytettiin lämpötilan muutoksen mittareina piirilevyille liitettynä. Jokaiselle piirilevylle liitettiin neljä LED-komponenttia. Komponenttien annettiin lämmetä suurella käyttövirralla ja jäähtyminen ajan suhteen lämmityksen jälkeen mitattiin. Lämpötilaan muutosta ajan suhteen kutsutaan lämpökäyräksi. Tutkimuksessa mitattiin usean kummallakin tekniikalla varustetun piirilevyn lämpökäyrä. Käyristä mitattiin lämpötilan kokonaismuutos, jonka jälkeen käyrät muutettiin rakennefunktioiksi, joista selvitettiin levyjen terminen kokonaisresistanssi. Tulosten perusteella osoitettiin, että metallipohjan päälle paksukalvotekniikalla painettu piirilevy johtaa lämpöä perinteistä piirilevyä paremmin. Myös piirilevyille asennetut LED-komponentit toimivat matalammalla lämpötilalla. Tulosten perusteella voidaan paksukalvotekniikalla painettuja piirilevyjä suositella käytettäväksi perinteisten piirilevyjen sijasta LED valaisimissa. Paksukalvotekniikalla tehtyjä piirilevyjä voidaan käyttää myös muiden tehokkaiden sähköisten komponenttien alustoina. Näin parannetaan komponenttien kestävyyttä, kun hukkalämpö saadaan tehokkaasti johdettua pois komponenteista.
Original languageEnglish
QualificationMaster Degree
Awarding Institution
  • University of Oulu
Supervisors/Advisors
  • Sitomaniemi, Aila, Supervisor
Place of PublicationOulu
Publisher
Publication statusPublished - 2011
MoE publication typeG2 Master's thesis, polytechnic Master's thesis

Fingerprint

heat

Keywords

  • LED
  • Light Emitting Diode
  • lämpökäyrä, rakennefunktio
  • lämmön johtuminen
  • piiriteoria

Cite this

Tapaninen, O. (2011). Thermal characterization of LED-modules. Oulu: University of Oulu.
Tapaninen, Olli. / Thermal characterization of LED-modules. Oulu : University of Oulu, 2011. 70 p.
@phdthesis{c6395614b8ce4d4a9ec9925e59014171,
title = "Thermal characterization of LED-modules",
abstract = "Light Emitting Diode (LED), eli valoa emittoiva diodi on puolijohdekomponentti, joka muuttaa s{\"a}hk{\"o}n valoksi. Valo syntyy ilmi{\"o}ss{\"a} nimelt{\"a} elektroluminesenssi. Tutkielman aihe on LED-komponenttien l{\"a}mp{\"o}karakterisointi. Tutkielmassa tutustutaan LED-teknologian historiaan ja LED-sirun toimintaan. LED-valojen k{\"a}ytt{\"o}tarkoituksia esitell{\"a}{\"a}n lyhyesti ja LED-valojen k{\"a}yt{\"o}n haasteita perusvalaisussa kuvaillaan. Tutkielman teoreettisessa osassa k{\"a}sitell{\"a}{\"a}n yksiulotteisen useasta materiaalista koostuvan kappaleen l{\"a}mm{\"o}njohtumisen teoriaa ja osoitetaan, ett{\"a} t{\"a}llaisen kappaleen rakenne ilmenee j{\"a}{\"a}htyv{\"a}n pinnan l{\"a}mp{\"o}tilan muutoksessa ajan suhteen. Kappaleen j{\"a}{\"a}htymisen yhteys kappaleen termiseen rakenteeseen selvitet{\"a}{\"a}n ja matemaattinen linkki piiriteorian ja l{\"a}mm{\"o}njohtumisen fysiikan v{\"a}lill{\"a} osoitetaan toimivaksi. Termiselle rakenteelle kuvataan piiriteoriaan ja termisiin resistansseihin ja kapasitansseihin perustuva esitystapa, jota kutsutaan rakennefunktioksi. Tutkielman kokeellisessa osassa l{\"a}mm{\"o}n johtumisen teoriaa sovellettiin kahden eri piirilevytyypin l{\"a}mm{\"o}njohtavuuden vertailuun. Piirilevyt valmistettiin kahdella eri tekniikalla, joista ensimm{\"a}inen oli metallipohjalle painettu piirilevy ja toinen metallipohjalle paksukalvotekniikalla painettu piirilevy. Metallipohjan p{\"a}{\"a}lle painetussa piirilevyss{\"a} on kerrosrakenne, jossa metallilevy p{\"a}{\"a}llystet{\"a}{\"a}n ensin s{\"a}hk{\"o}{\"a} erist{\"a}v{\"a}ll{\"a} materiaalilla. Eristekerroksen p{\"a}{\"a}lle painetaan s{\"a}hk{\"o}johtimet elektroniikkakomponentteja varten, jonka j{\"a}lkeen painetaan suojaava eristekerros. Eristekerrosten materiaalit ovat yleens{\"a} huonosti l{\"a}mp{\"o}{\"a} johtavia. Paksukalvotekniikalla tehd{\"a}{\"a}n samanlainen rakenne ohuemmilla kerroksilla. Paksukalvotekniikka mahdollistaa my{\"o}s pienten l{\"a}mp{\"o}l{\"a}pivientien painamisen komponenttien alle paremman l{\"a}mm{\"o}nsiirtymisen varmistamiseksi. LED-komponentteja k{\"a}ytettiin l{\"a}mp{\"o}tilan muutoksen mittareina piirilevyille liitettyn{\"a}. Jokaiselle piirilevylle liitettiin nelj{\"a} LED-komponenttia. Komponenttien annettiin l{\"a}mmet{\"a} suurella k{\"a}ytt{\"o}virralla ja j{\"a}{\"a}htyminen ajan suhteen l{\"a}mmityksen j{\"a}lkeen mitattiin. L{\"a}mp{\"o}tilaan muutosta ajan suhteen kutsutaan l{\"a}mp{\"o}k{\"a}yr{\"a}ksi. Tutkimuksessa mitattiin usean kummallakin tekniikalla varustetun piirilevyn l{\"a}mp{\"o}k{\"a}yr{\"a}. K{\"a}yrist{\"a} mitattiin l{\"a}mp{\"o}tilan kokonaismuutos, jonka j{\"a}lkeen k{\"a}yr{\"a}t muutettiin rakennefunktioiksi, joista selvitettiin levyjen terminen kokonaisresistanssi. Tulosten perusteella osoitettiin, ett{\"a} metallipohjan p{\"a}{\"a}lle paksukalvotekniikalla painettu piirilevy johtaa l{\"a}mp{\"o}{\"a} perinteist{\"a} piirilevy{\"a} paremmin. My{\"o}s piirilevyille asennetut LED-komponentit toimivat matalammalla l{\"a}mp{\"o}tilalla. Tulosten perusteella voidaan paksukalvotekniikalla painettuja piirilevyj{\"a} suositella k{\"a}ytett{\"a}v{\"a}ksi perinteisten piirilevyjen sijasta LED valaisimissa. Paksukalvotekniikalla tehtyj{\"a} piirilevyj{\"a} voidaan k{\"a}ytt{\"a}{\"a} my{\"o}s muiden tehokkaiden s{\"a}hk{\"o}isten komponenttien alustoina. N{\"a}in parannetaan komponenttien kest{\"a}vyytt{\"a}, kun hukkal{\"a}mp{\"o} saadaan tehokkaasti johdettua pois komponenteista.",
keywords = "LED, Light Emitting Diode, l{\"a}mp{\"o}k{\"a}yr{\"a}, rakennefunktio, l{\"a}mm{\"o}n johtuminen, piiriteoria",
author = "Olli Tapaninen",
year = "2011",
language = "English",
publisher = "University of Oulu",
address = "Finland",
school = "University of Oulu",

}

Tapaninen, O 2011, 'Thermal characterization of LED-modules', Master Degree, University of Oulu, Oulu.

Thermal characterization of LED-modules. / Tapaninen, Olli.

Oulu : University of Oulu, 2011. 70 p.

Research output: ThesisMaster's thesisTheses

TY - THES

T1 - Thermal characterization of LED-modules

AU - Tapaninen, Olli

PY - 2011

Y1 - 2011

N2 - Light Emitting Diode (LED), eli valoa emittoiva diodi on puolijohdekomponentti, joka muuttaa sähkön valoksi. Valo syntyy ilmiössä nimeltä elektroluminesenssi. Tutkielman aihe on LED-komponenttien lämpökarakterisointi. Tutkielmassa tutustutaan LED-teknologian historiaan ja LED-sirun toimintaan. LED-valojen käyttötarkoituksia esitellään lyhyesti ja LED-valojen käytön haasteita perusvalaisussa kuvaillaan. Tutkielman teoreettisessa osassa käsitellään yksiulotteisen useasta materiaalista koostuvan kappaleen lämmönjohtumisen teoriaa ja osoitetaan, että tällaisen kappaleen rakenne ilmenee jäähtyvän pinnan lämpötilan muutoksessa ajan suhteen. Kappaleen jäähtymisen yhteys kappaleen termiseen rakenteeseen selvitetään ja matemaattinen linkki piiriteorian ja lämmönjohtumisen fysiikan välillä osoitetaan toimivaksi. Termiselle rakenteelle kuvataan piiriteoriaan ja termisiin resistansseihin ja kapasitansseihin perustuva esitystapa, jota kutsutaan rakennefunktioksi. Tutkielman kokeellisessa osassa lämmön johtumisen teoriaa sovellettiin kahden eri piirilevytyypin lämmönjohtavuuden vertailuun. Piirilevyt valmistettiin kahdella eri tekniikalla, joista ensimmäinen oli metallipohjalle painettu piirilevy ja toinen metallipohjalle paksukalvotekniikalla painettu piirilevy. Metallipohjan päälle painetussa piirilevyssä on kerrosrakenne, jossa metallilevy päällystetään ensin sähköä eristävällä materiaalilla. Eristekerroksen päälle painetaan sähköjohtimet elektroniikkakomponentteja varten, jonka jälkeen painetaan suojaava eristekerros. Eristekerrosten materiaalit ovat yleensä huonosti lämpöä johtavia. Paksukalvotekniikalla tehdään samanlainen rakenne ohuemmilla kerroksilla. Paksukalvotekniikka mahdollistaa myös pienten lämpöläpivientien painamisen komponenttien alle paremman lämmönsiirtymisen varmistamiseksi. LED-komponentteja käytettiin lämpötilan muutoksen mittareina piirilevyille liitettynä. Jokaiselle piirilevylle liitettiin neljä LED-komponenttia. Komponenttien annettiin lämmetä suurella käyttövirralla ja jäähtyminen ajan suhteen lämmityksen jälkeen mitattiin. Lämpötilaan muutosta ajan suhteen kutsutaan lämpökäyräksi. Tutkimuksessa mitattiin usean kummallakin tekniikalla varustetun piirilevyn lämpökäyrä. Käyristä mitattiin lämpötilan kokonaismuutos, jonka jälkeen käyrät muutettiin rakennefunktioiksi, joista selvitettiin levyjen terminen kokonaisresistanssi. Tulosten perusteella osoitettiin, että metallipohjan päälle paksukalvotekniikalla painettu piirilevy johtaa lämpöä perinteistä piirilevyä paremmin. Myös piirilevyille asennetut LED-komponentit toimivat matalammalla lämpötilalla. Tulosten perusteella voidaan paksukalvotekniikalla painettuja piirilevyjä suositella käytettäväksi perinteisten piirilevyjen sijasta LED valaisimissa. Paksukalvotekniikalla tehtyjä piirilevyjä voidaan käyttää myös muiden tehokkaiden sähköisten komponenttien alustoina. Näin parannetaan komponenttien kestävyyttä, kun hukkalämpö saadaan tehokkaasti johdettua pois komponenteista.

AB - Light Emitting Diode (LED), eli valoa emittoiva diodi on puolijohdekomponentti, joka muuttaa sähkön valoksi. Valo syntyy ilmiössä nimeltä elektroluminesenssi. Tutkielman aihe on LED-komponenttien lämpökarakterisointi. Tutkielmassa tutustutaan LED-teknologian historiaan ja LED-sirun toimintaan. LED-valojen käyttötarkoituksia esitellään lyhyesti ja LED-valojen käytön haasteita perusvalaisussa kuvaillaan. Tutkielman teoreettisessa osassa käsitellään yksiulotteisen useasta materiaalista koostuvan kappaleen lämmönjohtumisen teoriaa ja osoitetaan, että tällaisen kappaleen rakenne ilmenee jäähtyvän pinnan lämpötilan muutoksessa ajan suhteen. Kappaleen jäähtymisen yhteys kappaleen termiseen rakenteeseen selvitetään ja matemaattinen linkki piiriteorian ja lämmönjohtumisen fysiikan välillä osoitetaan toimivaksi. Termiselle rakenteelle kuvataan piiriteoriaan ja termisiin resistansseihin ja kapasitansseihin perustuva esitystapa, jota kutsutaan rakennefunktioksi. Tutkielman kokeellisessa osassa lämmön johtumisen teoriaa sovellettiin kahden eri piirilevytyypin lämmönjohtavuuden vertailuun. Piirilevyt valmistettiin kahdella eri tekniikalla, joista ensimmäinen oli metallipohjalle painettu piirilevy ja toinen metallipohjalle paksukalvotekniikalla painettu piirilevy. Metallipohjan päälle painetussa piirilevyssä on kerrosrakenne, jossa metallilevy päällystetään ensin sähköä eristävällä materiaalilla. Eristekerroksen päälle painetaan sähköjohtimet elektroniikkakomponentteja varten, jonka jälkeen painetaan suojaava eristekerros. Eristekerrosten materiaalit ovat yleensä huonosti lämpöä johtavia. Paksukalvotekniikalla tehdään samanlainen rakenne ohuemmilla kerroksilla. Paksukalvotekniikka mahdollistaa myös pienten lämpöläpivientien painamisen komponenttien alle paremman lämmönsiirtymisen varmistamiseksi. LED-komponentteja käytettiin lämpötilan muutoksen mittareina piirilevyille liitettynä. Jokaiselle piirilevylle liitettiin neljä LED-komponenttia. Komponenttien annettiin lämmetä suurella käyttövirralla ja jäähtyminen ajan suhteen lämmityksen jälkeen mitattiin. Lämpötilaan muutosta ajan suhteen kutsutaan lämpökäyräksi. Tutkimuksessa mitattiin usean kummallakin tekniikalla varustetun piirilevyn lämpökäyrä. Käyristä mitattiin lämpötilan kokonaismuutos, jonka jälkeen käyrät muutettiin rakennefunktioiksi, joista selvitettiin levyjen terminen kokonaisresistanssi. Tulosten perusteella osoitettiin, että metallipohjan päälle paksukalvotekniikalla painettu piirilevy johtaa lämpöä perinteistä piirilevyä paremmin. Myös piirilevyille asennetut LED-komponentit toimivat matalammalla lämpötilalla. Tulosten perusteella voidaan paksukalvotekniikalla painettuja piirilevyjä suositella käytettäväksi perinteisten piirilevyjen sijasta LED valaisimissa. Paksukalvotekniikalla tehtyjä piirilevyjä voidaan käyttää myös muiden tehokkaiden sähköisten komponenttien alustoina. Näin parannetaan komponenttien kestävyyttä, kun hukkalämpö saadaan tehokkaasti johdettua pois komponenteista.

KW - LED

KW - Light Emitting Diode

KW - lämpökäyrä, rakennefunktio

KW - lämmön johtuminen

KW - piiriteoria

M3 - Master's thesis

PB - University of Oulu

CY - Oulu

ER -

Tapaninen O. Thermal characterization of LED-modules. Oulu: University of Oulu, 2011. 70 p.