Thermal characterization of LED-modules

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.