Сборка светодиодной печатной платы

В современной электронике увеличилась номенклатура компонентов с высоким тепловыделением. Попробуем рассмотреть конструкции печатных плат для таких применений на примере сборок сверхярких мощных светодиодов и находят все более широкое применение в различных отраслях техники и быту. Эти светодиоды отличаются большим, для малых размеров кристаллов, тепловыделением (от единиц до десятков ватт).

В последнее время, в связи с последними достижениями в области светодиодной светотехники, резко вырос интерес к созданию источников света на основе мощных ультраярких светодиодов. Световая эффективность полупроводниковых светодиодов достигла уже 100лм/Вт. Такие ультраяркие светодиоды приходят на смену обычным лампам накаливания и находят свое применение практически во всех областях светотехники: лампы уличного освещения, автомобильная светотехника, дежурное освещение, рекламные вывески, светодиодные панели, индикаторы, бегущие строки, светофоры и т.д. Эти светодиоды стали незаменимы в декоративном освещении, в светодинамических системах благодаря их монохромному цвету и скорости включения. Выгодно их применять и там, где необходимо жестко экономить электроэнергию, где дорого обходится частое обслуживание и где высоки требования по электробезопасности.

Основные преимущества мощных ультраярких светодиодов по сравнению с традиционными источниками света:

1. высокий срок эксплуатации (в десятки и даже сотни раз больший, чем в случае обычных ламп накаливания) позволяет гораздо реже производить замену сгоревших ламп, что особенно важно для труднодоступных мест;
2. эффективность и высокий КПД: при аналогичной яркости светодиодные светильники потребляют в 3-5 раз меньше энергии, чем галогенные лампы или лампы накаливания;
   удобство монтажа и компактность: поверхностный SMD монтаж и малые геометрические размеры светодиодов позволяют разработчикам и дизайнерам выбрать интересные решения для создания системы освещения;
3. широкий выбор оттенков белого цвета, цветные и RGB светодиоды: позволяют реализовывать интересные идеи разработчиков средств освещения или декоративной подсветки, применяя динамическое изменение цвета и яркости;
4. низкие тепловое излучение от светодиодных светильников позволяет устанавливать их в таких местах, где применение ламп накаливания недопустимо из-за их высокого нагрева.

В отличие от обычных ламп накаливания, светодиоды не излучают тепло в окружающие пространство, а проводят его в направлении от p-n перехода к теплоотводу в корпусе светодиода (обычно или вывод светодиода или специальная металлическая пластинка). Поэтому процесс отвода тепла более сложен и специфичен. Путь отвода тепла состоит из множества тепловых сопротивлений: «p-n переход — теплоотвод корпуса», «теплоотвод корпуса — печатная плата», «печатная плата — радиатор», «радиатор — окружающая среда». Вследствие этого, использование мощных светодиодов связано с высокой вероятностью чрезмерного увеличения температуры перехода, от которой напрямую зависят срок службы, надежность и световые характеристики светодиода.

Данные исследований говорят, что примерно 65-85% электроэнергии при работе светодиода преобразуется в тепло. Однако, при условии соблюдения рекомендованных производителем светодиодов тепловых режимов, срок службы светодиода может достигать 10 лет. Но, если нарушить тепловой режим (обычно это работа с температурой перехода более 120. 125°С), срок службы светодиода может упасть в 10 раз! А при грубом несоблюдении рекомендованных тепловых режимов, например, при включении светодиодов типа emitter без радиатора в течение более 5-7 сек, светодиод может выйти из строя уже во время первого включения.

При повышении температуры перехода, кроме того, происходит снижение яркости свечения и смещению рабочей длины волны (изменение оттенка).

Так же полимер, из которого изготовлен корпус светодиода, нельзя нагревать выше определенного предела, т.к., из-за разности коэффициентов линейного расширения деталей светодиода (контактов, рамки, кристалла, материала линзы), возможен отрыв контактного соединения. Поэтому очень важно правильно рассчитать тепловой режим и, по возможности, максимально рассеять выделяемое светодиодом тепло.

Если используются светодиоды мощностью менее 0,5 Вт, то вполне приемлемым будет монтаж светодиодов на обычные печатные платы из текстолита марки FR-4.

Однако, при рассеивании более высоких мощностей может потребоваться использование специальных печатных плат с металлическим основанием и слоем диэлектрика, с улучшенной теплопроводностью имеющие тепловое сопротивление от 0,45 до 1,5 К/Вт.

Крупные производители мощных светодиодов, такие как Cree, Osram, Nichia, Luxeon, Seoul Semiconductor, Edison Opto и т.п., уже давно, для упрощения включения и расширения областей применения светодиодов, изготавливают их в виде светодиодных модулей или кластеров на печатных платах с металлическим основанием (в международной классификации IMPCB – Insulated Metal Printed Circuit Board, или AL PCB – печатные платы на алюминиевом основании). Светодиодные кластеры представляют собой готовые к подключению платы различной формы (круглые, линейные, прямоугольные, шестиугольные в виде звезд и колец) с посадочным местом для одного или нескольких светодиодов с различными схемами соединения (последовательое, параллельное, комбинированное) и предусматривающие установку линз (коллиматоров), простое подключение питания и удобное крепление. Подключение кластера к драйверу питания светодиодов осуществляется либо пайкой к контактным площадкам платы, либо к установленному на плате разъему. Такие кластеры иногда содержат как ограничительные сопротивления, так и сам драйвер питания, поэтому могут напрямую подключаться к низковольтному питанию.

Такие кластеры, при монтаже устанавливаются в светильники и другие конструкции, корпуса которых обеспечивают отвод выделяемого светодиодами тепла через металлическое основание на корпус. Каждый кластер рассчитывается для оптимизации системы охлаждения.

Формами показанными на рис. 2 не ограничивается возможная номенклатура кластеров. Печатные платы на металлическом основании могут быть практически любого формфактора поскольку применяется типовая технология.

Кластеры на основе печатных плат с металлическим основанием вместе со смонтированными на ней светодиодами могут быть, при необходимости установлены на дополнительный теплоотвод — завершающее звено теплового пути. Выбор этого теплоотвода, а это может быть и алюминиевый радиатор и металлический корпус изделия, зависит от того, какая часть общего бюджета теплового сопротивления «переход — окружающая среда» была «растрачена» на предыдущие звенья теплового пути.

Для светодиода с рассеиваемой мощностью 1 Вт (при условии естественной незатрудненной конвекции при 25 °C) нужна плата с алюминиевым основанием площадью не менее 6,5 см 2 . Если площадь платы под светодиодом примерно соответствует данному значению, такое устройство кластера не нуждается в дополнительном теплоотводе при работе светодиода в номинальном режиме. При работе в закрытом корпусе, а также в условиях повышенной температуры окружающей среды (около 50°С) без применения принудительного охлаждения, нужно устанавливать плату с алюминиевым основанием на дополнительный теплоотвод площадью 16 — 20 см 2 на каждый Вт выделяемой мощности. При этом между теплоотводом (радиатором) и кластером изготовленным по технологии с алюминиевым основанием наносятся по специальной методике теплопроводящие составы (термопасты) заполняющие зазор слоем порядка 0,05 — 0,1 мм и теплопроводностью порядка 1 — 5 W/mK.

При использовании дополнительных радиаторов существует возможность, например, увеличить ток питания кластера со светодиодом Cree серии XR-E до 1 А, кластера со светодиодом серии XP-E до 700 мА, кластера со светодиодом серий XP-C, XR-C до 500 мА, что даст прирост интенсивности свечения примерно на 70%.
Остановимся на печатной плате, применяемой для мощных светодиодных кластеров — печатной плате с металлическим основанием. В такой плате, в качестве основания используется металлическая пластина, на которую с помощью стеклоткани пропитанной смолой (препрег), наклеены один или несколько проводящих слоев медной фольги. Такие платы применяют в изделиях, где имеют место повышенные локальные или распространенные по всей площади тепловые нагрузки. Простейшим типом печатной платы и, следовательно, наиболее экономически эффективным для поверхностного монтажа светодиодов является однослойная печатная плата с алюминиевым основанием. Данная плата является, по своей сути, однослойной печатной платой, наклеенной на алюминиевую пластину. Генерируемое тепло, легко проходит через диэлектрик, а затем быстро рассеивается через алюминий – прочно приклеенный радиатор, выполненный в составе печатной платы.
Платы под сверхяркие светодиоды обычно покрываются черной или белой паяльной маской, чтобы дополнительно увеличить светопоглощение или светоотражение соответственно, что благоприятно сказывается и на температурных режимах и на дизайне светильников.

Материалы, используемые в платах с металлическим основанием:

Медная фольга – используется стандартная для производства печатных плат медная фольга толщиной от 35-350 мкм.
Диэлектрик — препрег – стеклоткань, пропитанная эпоксидными смолами толщиной 50-150 мкм.

В качестве препрега может использоваться как обычная эпоксидная стеклоткань FR-4, так и специальный теплопроводящий состав (Т-preg), который обладает лучшими теплопроводными и электроизоляционными свойствами. Он представляет собой специальную химически стойкую структуру с высокой теплопроводностью толщиной 75–200 мкм, изготовленного из особого диэлектрика – смеси полимера со специальной керамикой. Полимер выбирается исходя из его диэлектрических свойств, тогда как керамический наполнитель предназначен для улучшения теплопроводности, благодаря чему материал имеет и отличные диэлектрические свойства, и очень низкое тепловое сопротивление.

Например, объемное удельное сопротивление материала Bond Ply Thermal Clad IMS(Bergquist) этого слоя не менее 10 14 Ом•см. При толщине диэлектрика 75 мкм допустимое рабочее напряжение между слоями составляет 5,5 кВ переменного тока и более, теплопроводность — не ниже 1,3 W/mK, что вполне достаточно для большинства приложений.

В платах с металлическим основанием слой диэлектрика – ключевой, поскольку соединяет медь с нижним, металлическим (алюминиевым или медным) базовым, который служит радиатором для всей печатной платы и выполняет функцию проводника тепла от верхнего к нижнему слою — к металлическому основанию.
Основные сравнительные характеристики диэлектриков приведены в табл. 1.

Металлическое основание толщиной 0.5-3.2мм. Наиболее распространенными материалами для металлического основания служат алюминий и медь. Основные характеристики, по которым их следует сравнивать, приведены в табл. 2.

В конструкции плат с металлическим основанием важную роль играет коэффициент температурного расширения (КТР) материалов подложки. Использование материалов с большим КТР при высоких температурах приводит к возникновению внутренних механических напряжений в структуре. Поэтому для высокотемпературных применений, где данный параметр критичен, используют материалы с подложкой из низкоуглеродистой стали (толщиной 1 и 2,3 мм) с малым КТР.

Хотя медь обладает лучшими теплопроводными свойствами, алюминий все-таки является самым распространенным материалом для плат с металлическим основанием, так как он более дешевый и, что немаловажно, легкий материал.
Теплопроводность применяемых алюминиевых подложек:

Большинство технологических процессов изготовления печатных плат с металлическим основанием, таких как травление, нанесение защитной маски, нанесения защитного металлического покрытия (HASL), маркировка, аналогичны процессам изготовления традиционных плат из FR-4 и отличаются только режимами механической обработки контура и сверловки.

Что предлагает ИнПромСинтез

Быстрое выполнение работ

• У нас очень быстрое время обработки запросов от клиентов - от проектирование до изготовления прототипа или рабочего образца платы.
• Для изготовления плат ИнПромСинтез использует широкий выбор различных параметров. Он включает в себя тип материала печатной платы, который Вы хотите использовать, отделку поверхности. А также опции для добавления уникальных идентификаторов для ваших плат.
• Наша печатная плата также может производить платы до 32 слоев.

Система онлайн заказа

Наконец, сайт ИнПромСинтез позволяет вести заказ платы полностью в онлайн режиме, где производится подгрузка файлов проекта, согласование замены компонентов, а также автоматический расчёт цены Вашей печатной платы. Это происходит после того, как Вы загрузите файлы Gerber и введете необходимые данные.

Наша печатная плата предлагает идеальный баланс между ценой и качеством и множеством вариантов изготовления, которые могут подходить для высоковольтных плат.