Тепловое управление в ПХБ: продление срока службы светодиодного освещения

Светодиодное освещение произвело революцию в энергоэффективности, но его производительность и долговечность зависят от одного важного фактора: управления теплом.Светодиоды преобразуют 80% энергии в свет, но оставшиеся 20% все еще генерируют достаточно тепла для разложения компонентовУвеличение температуры соединения светодиодов на 10°C может сократить срок службы на 50%, что делает печатные платы (ПКБ) с надежным управлением тепловой энергией не просто особенностью, но и необходимостью.Вот как оптимизированный дизайн ПКБ и материалы обеспечивают длительность светодиодного освещения 50, 000+ часов, даже в приложениях с высоким напряжением, таких как промышленные светильники или уличные фонари.

Ключевые моменты.

• Температура соединения светодиодов должна оставаться ниже 125°C; избыточное тепло приводит к снижению лумена и отказу компонента.
• Металлические ПХБ (MCPCB) и высокотермальные ламинаты рассеивают тепло в 3×5 раз быстрее, чем традиционные FR-4 доски.
• Правильная конструкция ПКБ, включая ширину следов, толщину меди и интеграцию теплоотвода, снижает тепловое сопротивление до 40%.
• Индустриальные стандарты, такие как IPC-2221 и LM-80, руководствуются лучшими методами управления теплом для надежной производительности светодиодов.

Почему тепло убивает светодиоды: наука теплового стресса

Светодиоды работают путем пропускания тока через полупроводник, процесс, который генерирует тепло на стыке (интерфейс между слоями).

a. при температуре 85°C светодиод обычно длится 50 000 часов.
b. При 105°C продолжительность жизни снижается до 25000 часов.
При 125°С она падает до 10 000 часов ≈ 1/5 от потенциальной продолжительности жизни.

Тепло также разрушает другие компоненты: сварные соединения трескаются, конденсаторы высыхают, и оптические линзы желтеют.Плохое управление тепловой энергией превращает светодиоды, рассчитанные на 10 лет, в светодиоды на 2 года..

Как ПХБ контролируют тепло светодиодов: дизайн и материальные решения
ПХБ выступает в качестве основного теплопроводника в светодиодных светильниках, направляя тепло от светодиодного соединения к теплоотводам или окружающей среде.выбор материалов и оптимизация конструкции.

1Сравнение материалов ПХБ: вопросы теплопроводности
Не все ПХБ имеют одинаковые показатели теплораспределения.

Примечание: теплопроводность измеряет, насколько хорошо материал передает тепло. Более высокие значения означают более быстрое рассеивание.
Алюминиевые ПКБ (MCPCB) являются лучшими для большинства высокопроизводительных светодиодов, предлагая улучшение теплопередачи на 300% по сравнению с FR-4 без затрат на медное ядро.светодиодный прожектор мощностью 100 Вт, использующий MCPCB, поддерживает температуру соединения 75 °C, в то время как та же конструкция на FR-4 достигает 110°C, сокращая срок службы на 70%.

2. Методы проектирования для увеличения рассеивания тепла
Даже с правильными материалами плохая конструкция ПКБ может улавливать тепло.
Толщина меди: более толстая медь (2 унции против 1 унции) увеличивает тепловой поток на 50%. 2-унцистый слой меди (70 мкм) действует как "тепловой шоссе", распространяя тепло по ПКБ быстрее, чем более тонкие альтернативы.
b.Размещение следов: широкие, короткие следы уменьшают тепловое сопротивление. Для светодиода мощностью 50 Вт следы должны быть шириной не менее 3 мм, чтобы избежать горячих точек.
c.Термальные провода: покрытые провода (диаметр 0,3 - 0,5 мм) соединяют светодиодную панель с нижним слоем ПКБ, действуя как тепловые трубы. Решетка проводов 3x3 под светодиодом может снизить температуру на 15 °C.
d.Интеграция теплоотвода: прямая связь ПКБ с алюминиевым теплоотводом (с использованием тепловой пасты или клея с проводимостью 0,5 Вт/м·К) добавляет вторичный путь для утечки тепла.
Исследование, проведенное Исследовательским центром освещения, показало, что эти изменения в конструкции могут увеличить продолжительность жизни светодиодов от 30 000 до 60 000 часов в коммерческих подсветках.

Тепловое управление в конкретных светодиодных приложениях
Различные среды требуют индивидуальных решений.

Наружное освещение (уличные фонари, светофоры)
a.Внешние светодиоды подвержены экстремальным температурам (от -40 до 60°C) и влажности.
b. Используйте алюминиевые MCPCB с толстым диэлектрическим слоем (100 мкм) для устойчивости к влаге.
c. Добавить на заднюю сторону ПКБ теплоотводы с оперением, что критично для светильников мощностью 150 Вт и более.
Пример: уличный фонарь с использованием этих спецификаций поддерживал 90% светового излучения после 5 лет, по сравнению с 50% для конструкций на основе FR-4.

Автомобильное освещение (лифты, задние фары)
Вибрация и тепло под капотом (до 125°C) требуют прочных конструкций.
a. ПХБ с медным ядром выдерживают высокую температуру; их жесткость устойчива к повреждениям от вибраций.
b. Используйте тепловые каналы вблизи светодиодных массивов для предотвращения возникновения горячих точек в плотно закрытых корпусах фар.
c. Соответствие: Соответствие AEC-Q102 (стандарту компонентов LED) и IPC-2221 для проектирования ПКБ.

Промышленное освещение в помещениях (офис, розничная торговля)
Ограничения пространства и циклы затемнения требуют компактной эффективности.
a.Тонкие алюминиевые MCPCB вписываются в мелкие приспособления; 1 унция меди балансирует тепло и стоимость.
b.Проектирование для легкой установки теплоотвода (например, предварительно пробуренные монтажные отверстия).
c.Преимущество: на 40% меньше затрат на обслуживание в розничных сетях из-за меньшего количества замен.

Испытания и проверка: обеспечение тепловых характеристик
Не полагайтесь на симуляции, проверяйте с помощью реальных испытаний:
a.Термальная визуализация: FLIR-камеры выявляют горячие точки (цель: <10°C выше окружающей среды на краях ПКБ).
b.LM-80 Испытания: Этот отраслевой стандарт измеряет амортизацию люмена в течение 6000+ часов при 85°C и 105°C, обеспечивая соответствие требованиям Energy Star.
c.Расчет теплового сопротивления (Rθ): Цель для Rθ < 5°C/W (соединение с окружающей средой) для светодиодов высокой мощности. Для светодиода 100 Вт это поддерживает температуру соединения ниже 85 °C (25 °C окружающей среды + 100 Вт х 5 °C/W).

Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Как толщина ПКБ влияет на тепловое управление?
О: Более толстые печатные платы (PCB) (1,6 мм против 0,8 мм) обеспечивают больше материала для распространения тепла, но основной материал имеет большее значение.
Вопрос: Могут ли гибкие печатные платы обрабатывать светодиодное тепло?
A: Да, но только для светодиодов с низкой мощностью (<10 Вт). Гибкие полиамидные печатные платы с 1 унцией меди работают в ленточном освещении, но избегайте их в приложениях с высокой температурой2W/m·K) ниже, чем у жестких MCPCB.
Вопрос: Каковы затраты на переход на MCPCB?
A: Алюминиевые MCPCB добавляют ~ 20% к затратам на PCB, но снижают общие затраты на владение на 50% за счет более длительного срока службы и меньшего количества замен.

Заключение
Термоуправление в ПХБ не является последующей задумкой, это основа надежного светодиодного освещения.густой меди)Для производителей это означает более удовлетворенные клиенты, более низкие гарантийные претензии, более высокие цены на продукцию, более высокие цены на продукцию.и конкурентное преимущество в быстрорастущей светодиодной промышленности