ПХБ на алюминиевой основе: повышение мощности и производительности светодиодов

Изображения, создаваемые клиентами

Светоизлучающие диоды (LED) революционизировали освещение благодаря своей энергоэффективности и долгой продолжительности жизни, но их производительность зависит от одного важного фактора: управления теплом.Светодиоды преобразуют только 20-30% энергии в свет, остальное превращается в тепло.Без эффективного рассеивания это тепло накапливается, уменьшая яркость, изменяя температуру цвета и сокращая срок службы на 50% или более.Неизвестные герои высокопроизводительных светодиодных системРазработанные для удаления тепла от светодиодных микросхем и его эффективного рассеяния, эти специализированные печатные платы позволяют производить более яркие, надежные и долговечные светодиодные изделия.В этом руководстве рассматривается, как пластинки с алюминиевой подложкой повышают производительность светодиодов, их дизайнерские нюансы и почему они стали незаменимыми в современном освещении.

Ключевые выводы
1ПХБ с алюминиевой подложкой уменьшают температуру соединения светодиодов на 20-40 °C по сравнению со стандартными ПХБ FR4, увеличивая срок службы светодиодов с 30 000 до 50 000+ часов.
2Они обеспечивают на 30-50% более высокую плотность мощности в светодиодных светильниках, позволяя более яркую выходной мощность (например, 150lm / W против 100lm / W с FR4).
3Теплопроводность ПКБ с алюминиевой подложкой (1 ‰ 5 W / m · K) превосходит стандартную FR4 (0,2 ‰ 0,3 W / m · K) в 5 ‰ 25 раз, что критически важно для светодиодов высокой мощности (10 W +).
4.Факторы проектирования, такие как толщина диэлектрического слоя, вес меди и размер алюминиевого ядра, напрямую влияют на тепловую производительность.

Что такое алюминиевые ПХБ для светодиодов?
Aluminum-backed PCBs (also called aluminum core PCBs or MCPCBs for metal core printed circuit boards) are specialized substrates where a thin layer of thermally conductive dielectric material bonds a copper circuit layer to a thick aluminum baseВ отличие от стандартных ПХБ FR4, которые действуют как теплоизоляторы, ПХБ с алюминиевой подложкой функционируют как электрические проводники, так и как теплоотводы.

Структура слоя
а.Алюминиевое ядро: самый толстый слой (0,8 ‰ 3,0 мм), изготовленный из алюминиевого сплава (обычно 1050 или 6061), выбранный за его теплопроводность (180 ‰ 200 Вт/м·К) и экономическую эффективность.
b.Термальный диэлектрический слой:Слой эпоксида или силикона, заполненный керамикой, длиной 50μm с высокой теплопроводностью (1μ5 W/m·K), который электрически изолирует медь от алюминия при передаче тепла.
c. Склад медных цепей: следы 1 ′′3oz (35 ′′105μm) меди, которые соединяют светодиоды и компоненты, с более толстым медом (2 ′′3oz), используемым для высокопоточных путей в оборудовании с высокой мощностью.

Как ПХБ с алюминиевой подложкой улучшают производительность светодиодов
Светодиоды очень чувствительны к температуре. Даже небольшое повышение температуры соединения (Tj) снижает производительность:
a.Светкость снижается на ~ 2% при повышении температуры.
b.Смены температуры цвета (например, прохладные белые светодиоды превращаются в синий цвет).
c. Продолжительность жизни уменьшается экспоненциально (по уравнению Аррениуса, увеличение Tj на 10°C уменьшает продолжительность жизни).
Алюминиевые печатные платы решают эту проблему, создавая прямой тепловой путь от светодиодного чипа до алюминиевого ядра, смягчая эти проблемы.

1Температура нижнего стыка
a.Путь передачи тепла: когда светодиод работает, тепло течет из чипа через его пайку на медный слой, через диэлектрик и в алюминиевое ядро, которое распространяется и рассеивается.
b.Влияние в реальном мире: светодиод мощностью 10 Вт на пластинке с алюминиевым покрытием достигает Tj 65 °C, по сравнению с 95 °C на стандартном FR4 ≈, что увеличивает срок службы от 30 000 до 60 000 часов.

2Более высокая плотность мощности
а.ПКБ с алюминиевой подложкой позволяют помещать больше светодиодов или чипов более высокой мощности в одно и то же пространство. Например:
ПКБ с алюминиевой подложкой размером 100 мм × 100 мм может питать шестнадцать светодиодов мощностью 5 Вт (в общей сложности 80 Вт) без перегрева.
Для предотвращения тепловых неисправностей PCB FR4 одного размера ограничены восемью светодиодами мощностью 5 Вт (всего 40 Вт).

3. Постоянный выход света
Стабильная температура предотвращает колебания яркости и изменения цвета.Исследование, проведенное Министерством энергетики, показало, что светодиодные светильники, использующие алюминиевые ПХБ, сохраняют 90% первоначальной яркости после 5 лет., 000 часов, по сравнению с 70% для светильников на основе FR4.

4. Снижение затрат на систему
Интегрируя теплоотводы в ПКБ, алюминиевые конструкции исключают необходимость в отдельных теплоотводах, сокращая затраты на материал и сборку на 15-30%.светодиодный фонарь высокого уровня мощностью 100 Вт с использованием пластинки с алюминиевым покрытием стоит (5 ‰)10 меньше, чем FR4 с дополнительным теплоотводом.

Алюминиевые ПКБ против ПКБ FR4 в светодиодном применении
Разрыв в производительности между алюминиевыми и FR4 ПКБ в светодиодных системах резкий:

Учеты по проектированию светодиодных печатных плат с алюминиевым покрытием
Оптимизация алюминиевых печатных плат для светодиодов требует сбалансированной тепловой производительности, электрических требований и затрат:
1. Выбор диэлектрического слоя
Диэлектрический слой является "мостом" между медью и алюминием.
   a.Теплопроводность:Для светодиодов с высокой мощностью выбирайте 3 5 W/m·K (например, эпоксидные керамические материалы, такие как Bergquist Thermagon).
   b. Толщина:Более тонкие диэлектрики (50-100 мкм) лучше переносят тепло, но уменьшают электрическую изоляцию.
  c.Назначенное напряжение:Убедитесь, что диэлектрик соответствует или превышает напряжение системы светодиодов (например, 2 кВ для 120-вольтных светильников переменного тока).

2Конструкция медного слоя
  a.Вес:Используйте 2 ̊3 унций меди для высокоточных путей (например, светодиодные массивы, рисующие 5A +).
   b.Широта следа:Следы питания светодиодов должны быть шириной ≥ 0,5 мм для тока 1 А, чтобы свести к минимуму сопротивление нагрева.
  c. Размер подложки:Тепловые панели светодиодов (если они имеются) должны соответствовать размеру панели PCB (обычно 2 5 mm2), чтобы максимизировать теплопередачу от светодиода к меди.

3Спецификации алюминиевого ядра
  a. Толщина:Более толстые ядра (2,0 ≈ 3,0 мм) лучше рассеивают тепло для светодиодов высокой мощности (50 Вт +).
  b.Поверхность:Большие алюминиевые ядра (или те, которые имеют плавники) улучшают пассивное охлаждение. Ядро размером 200 мм × 200 мм может пассивно рассеивать 100 Вт, в то время как ядро размером 100 мм × 100 мм может потребовать теплоотвода для той же мощности.
  c. Тип сплава:6061 алюминий (180 W/m·K) предлагает лучшую теплопроводность, чем 1050 (200 W/m·K), но немного дороже.

4. Расположение и маршрутизация светодиодов
  a.Размещение:Пространственные светодиоды на расстоянии ≥ 5 мм, чтобы предотвратить перекрытие горячих точек.
  b.Термальные пути:Добавьте проемы (0,3 ≈ 0,5 мм) под большие светодиодные пакеты для передачи тепла из медного слоя в алюминиевое ядро, уменьшая Tj на 5 ≈ 10 °C.
  в. Избегайте тепловых ловушек:Отслеживание маршрута подальше от светодиодных панелей, чтобы предотвратить блокировку потока тепла в алюминиевое ядро.

Приложения: где блестящие ПХБ с алюминиевым покрытием
Алюминиевые ПХБ имеют важное значение в светодиодных системах, где наиболее важны производительность и надежность:
1Коммерческое и промышленное освещение
Светильники высокой мощности: светильники мощностью 100 ‰ 300 Вт на складах и фабриках используют алюминиевые ПКБ для обработки нескольких светодиодов мощностью более 10 Вт.
Уличные фонари: наружные светильники, подвергающиеся воздействию экстремальных температур, используют алюминиевые ядра для поддержания производительности в условиях от -40 до 60 °C.

2Освещение автомобилей
Светодиодные фары: 20 ‰ 50 Вт на фары, с алюминиевыми ПКБ, обеспечивающими надежность под капотом (100 ° C + температуры).
Внутреннее освещение: даже небольшие купольные светильники используют тонкие пластинки с алюминиевой подложкой, чтобы предотвратить перегрев в закрытых помещениях.

3Специальное освещение
Светильники для выращивания растений: системы мощностью 200-1000 Вт с плотными светодиодными массивами требуют максимального рассеивания тепла для поддержания постоянного спектра света для роста растений.
Сценарийное освещение: высокопроизводительные передвигающиеся головки (50200 Вт) используют алюминиевые ПХБ для обработки быстрых циклов включения/выключения без теплового напряжения.

4Потребительская электроника
Светодиодные ленты: ленты с высокой плотностью (120 светодиодов / м) используют тонкие пластинки с алюминиевой подложкой, чтобы избежать перегрева в узких помещениях (например, под шкафами).
Фонарики: компактные фонарики с высоким луменом (1000+ lm) используют алюминиевые ядра для охлаждения светодиодов мощностью 510 Вт в небольших корпусах.

Испытания и валидация для светодиодных ПХБ
Для того, чтобы ПКБ с алюминиевым покрытием работали по назначению, требуются специализированные испытания:
1Тепловое сопротивление (Rth)
a.измеряет, насколько эффективно тепло течет от светодиодного соединения к алюминиевому ядру.
b.Метод испытания: с помощью тепловой камеры измеряются температурные различия между светодиодной панелью и алюминиевым ядром при постоянном питании.

2. Температура стыка (Tj)
a.Проверить, что Tj не превышает максимальный балл светодиодов (обычно 125°C для коммерческих светодиодов).
b.Метод испытания: Использовать термопару, присоединенную к тепловой панели светодиодов, или сделать вывод Tj на основе перемещений напряжения вперед (по листу данных светодиодов).

3. Симуляция продолжительности жизни
a.Ускоренный тепловой цикл (от -40°C до 85°C) в течение более 1000 циклов для проверки деламинации между слоями - распространенный режим отказа в плохих производственных PCB.

4Стабильность светового излучения
a.Удержание просвета трассы (L70) в течение 1000 часов работы. ПКБ с алюминиевой подложкой должны поддерживать ≥ 95% исходной яркости, по сравнению с 80~85% для FR4.

Распространенные мифы и заблуждения
Миф: все ПХБ, которые поддерживаются алюминиевым материалом, работают одинаково.
Факт: Диэлектрический материал и толщина, вес меди и качество алюминия создают значительные различия.в то время как версия 5 W/m·K работает в 10 раз лучше.

Миф: ПХБ с алюминиевой подложкой слишком дороги для потребительских товаров.
Факт: для высокопроизводительных светодиодов их стоимость компенсируется уменьшением потребности в теплоотводе и более длительным сроком службы.

Миф: более толстые алюминиевые ядра всегда работают лучше.
Факт: Уменьшение отдачи применяется, переходя от 1 мм до 2 мм толщины алюминия уменьшает Tj на 10 °C, но 2 мм до 3 мм уменьшает его только на 3 5 °C.

Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Могут ли алюминиевые печатные платы использоваться с RGB светодиодами?
Ответ: Да, они идеально подходят для светодиодов RGB, которые склонны к изменению цвета при нагревании.

Вопрос: Есть ли гибкие пластинки с алюминиевой подложкой для изогнутых светодиодных светильников?
Ответ: Да, в гибких версиях используются тонкие алюминиевые ядра (0,2 - 0,5 мм) и гибкие диэлектрики (например, силикон) для изогнутых приложений, таких как светодиодные ленты в освещении заливов.

Вопрос: Сколько стоит пластинка с алюминиевой подложкой по сравнению с FR4?
Ответ: 1,5×2 раза больше для того же размера, но общая стоимость системы (PCB + теплоотводы) часто ниже из-за устранения затрат на теплоотводы в конструкциях высокой мощности.

Вопрос: Какова максимальная мощность светодиода, с которой может справиться пластинка с алюминиевой подложкой?
Ответ: До 500 Вт + с большим (300 мм × 300 мм) алюминиевым ядром и активным охлаждением (вентиляторами).

Вопрос: Требуется ли специальная сварка для пластин с алюминиевой подложкой?
Ответ: Стандартные профили обратного потока SMT не работают, хотя более высокая тепловая масса может потребовать немного более длительного времени впитывания (30-60 секунд при 245 °C) для обеспечения хороших сварных соединений.

Заключение
Алюминиевые печатные платы преобразовали светодиодные технологии, позволив высокопроизводительные, долговечные светильники, которые определяют современное освещение.Они открывают более яркие выходы., более стабильная производительность и более длительный срок службы при одновременном упрощении конструкций и снижении затрат на систему.
Для инженеров и производителей понимание нюансов проектирования печатных плат с алюминиевой подложкой от выбора диэлектриков до размеров алюминиевого ядра является ключом к максимизации производительности светодиодов.Сооружение 10 Вт прожектора или 500 Вт промышленного светильника, эти специализированные ПХБ больше не являются вариантом, а необходимостью для конкурентоспособных, надежных светодиодных продуктов.
Поскольку светодиоды продолжают расширять границы эффективности и мощности, алюминиевые ПХБ останутся их важным партнером, гарантируя, что свет, который они производят, будет столь же долговечным, как и ярким.