Πίνακες PCB με υποστήριξη αλουμινίου: Ενίσχυση της ισχύος και της απόδοσης των LED

Φωτογραφίες ανθρωποποιημένες από τους πελάτες

Οι διόδοι εκπομπής φωτός (LED) έχουν φέρει επανάσταση στον φωτισμό με την ενεργειακή τους αποδοτικότητα και τη μακρά τους διάρκεια ζωής, αλλά η απόδοσή τους εξαρτάται από έναν κρίσιμο παράγοντα: τη διαχείριση της θερμότητας.Τα LED μετατρέπουν μόνο το 20%-30% της ενέργειας σε φως, το υπόλοιπο σε θερμότητα.Χωρίς αποτελεσματική διάσπαση, αυτή η θερμότητα συσσωρεύεται, μειώνοντας τη φωτεινότητα, μετατοπίζοντας τη θερμοκρασία χρώματος και μειώνοντας τη διάρκεια ζωής κατά 50% ή περισσότερο.Οι άγνωστοι ήρωες των υψηλής απόδοσης LED συστημάτωνΣχεδιασμένα για να απομακρύνουν τη θερμότητα από τα τσιπ LED και να την διασκορπίζουν αποτελεσματικά, αυτά τα εξειδικευμένα PCB επιτρέπουν φωτεινότερα, πιο αξιόπιστα και μακροχρόνια προϊόντα LED.Αυτός ο οδηγός διερευνά πώς τα PCB που υποστηρίζονται από αλουμίνιο βελτιώνουν την απόδοση των LED, τις αποχρώσεις του σχεδιασμού τους, και γιατί έχουν γίνει απαραίτητες στον σύγχρονο φωτισμό.

Βασικά συμπεράσματα
1.Τα PCB με υποστήριξη αλουμινίου μειώνουν τις θερμοκρασίες διασύνδεσης LED κατά 20-40 °C σε σύγκριση με τα τυπικά FR4 PCB, επεκτείνοντας τη διάρκεια ζωής των LED από 30.000 έως 50.000+ ώρες.
2Επιτρέπει 30~50% υψηλότερες πυκνότητες ισχύος σε φωτιστικά LED, επιτρέποντας φωτεινότερη απόδοση (π.χ., 150lm/W έναντι 100lm/W με FR4).
3.Η θερμική αγωγιμότητα των PCB που υποστηρίζονται από αλουμίνιο (1 5 W/m·K) ξεπερνά το πρότυπο FR4 (0,2 0,3 W/m·K) κατά 5 25x, κρίσιμη για τα LED υψηλής ισχύος (10 W+).
4Οι παράγοντες σχεδιασμού όπως το πάχος του διηλεκτρικού στρώματος, το βάρος του χαλκού και το μέγεθος του πυρήνα αλουμινίου επηρεάζουν άμεσα τις θερμικές επιδόσεις. Η βελτιστοποίηση μπορεί να αυξήσει την απόδοση κατά 15-20%.

Τι είναι τα PCB με υποστήριξη αλουμινίου για LED;
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 baseΑντίθετα με τα συμβατικά PCB FR4, τα οποία λειτουργούν ως θερμικοί μονωτές, τα PCB που υποστηρίζονται από αλουμίνιο λειτουργούν τόσο ως ηλεκτρικοί αγωγοί όσο και ως απορροφητές θερμότητας.

Δομή στρώματος
α.Κυρήνας αλουμινίου: Το παχύτερο στρώμα (0,8·3,0 mm), κατασκευασμένο από κράμα αλουμινίου (συνήθως 1050 ή 6061) που επιλέγεται για τη θερμική του αγωγιμότητα (180·200 W/m·K) και την οικονομική του αποτελεσματικότητα.
β.Θερμικό διηλεκτρικό στρώμα:Ένα στρώμα 50μm από κεραμικό-γεμάτο επωξικό ή σιλικόνη με υψηλή θερμική αγωγιμότητα (1μW/μK), το οποίο απομονώνει ηλεκτρικά τον χαλκό από το αλουμίνιο, ενώ μεταφέρει θερμότητα.
στ.Στρώμα κυκλώματος χαλκού: ίχνη χαλκού 35 μm που συνδέουν τα LED και τα εξαρτήματα, με παχύτερο χαλκό 2 μm που χρησιμοποιείται για μονοπάτια υψηλού ρεύματος σε φωτιστικά πυκνών.

Πώς τα PCB που υποστηρίζονται από αλουμίνιο βελτιώνουν τις επιδόσεις των LED
Ακόμη και μικρές αυξήσεις της θερμοκρασίας της διασταύρωσης (Tj) υποβαθμίζουν τις επιδόσεις:
α. Η φωτεινότητα μειώνεται κατά ~ 2% ανά αύξηση °C.
β.Αλλαγές θερμοκρασίας χρώματος (π.χ. δροσερά λευκά LED που μετατρέπονται σε μπλε).
c. Η διάρκεια ζωής μειώνεται εκθετικά (σύμφωνα με την εξίσωση Arrhenius, μια αύξηση 10 °C Tj μειώνει κατά το ήμισυ τη διάρκεια ζωής).
Τα PCB που υποστηρίζονται από αλουμίνιο αντιμετωπίζουν αυτό δημιουργώντας μια άμεση θερμική διαδρομή από το τσιπ LED στον πυρήνα αλουμινίου, μετριασμώντας αυτά τα προβλήματα.

1. Χαμηλότερες θερμοκρασίες συνδυασμού
α.Δρόμος μεταφοράς θερμότητας: Όταν ένα LED λειτουργεί, η θερμότητα ρέει από το τσιπ μέσω του πακέτου συγκόλλησης στο στρώμα χαλκού, μέσω του διαλεκτρίου και στον πυρήνα αλουμινίου, ο οποίος το διαχέει και το διαλύει.
β.Ενέργεια πραγματικού κόσμου: Ένα LED 10W σε PCB με στήριξη αλουμινίου φτάνει σε Tj 65 °C, έναντι 95 °C σε τυποποιημένο FR4 ∆, με αποτέλεσμα τη διάρκεια ζωής να αυξάνεται από 30.000 έως 60.000 ώρες.

2. υψηλότερη πυκνότητα ισχύος
α.Τα πλαίσια PCB με στήριξη από αλουμίνιο επιτρέπουν την τοποθέτηση περισσότερων LED ή τσιπ υψηλότερης ισχύος στον ίδιο χώρο.
Ένα PCB 100 mm × 100 mm που υποστηρίζεται από αλουμίνιο μπορεί να τροφοδοτήσει δεκαέξι LED 5W (συνολικά 80W) χωρίς υπερθέρμανση.
Το ίδιο μέγεθος FR4 PCB περιορίζεται σε οκτώ LED 5W (40W συνολικά) για την αποφυγή θερμικής βλάβης.

3Συνεπής έξοδος φωτός
Οι σταθερές θερμοκρασίες εμποδίζουν τις διακυμάνσεις της φωτεινότητας και τις αλλαγές χρώματος.Μια μελέτη από το Υπουργείο Ενέργειας διαπίστωσε ότι τα φωτιστικά LED που χρησιμοποιούν PCB που υποστηρίζονται από αλουμίνιο διατηρούν το 90% της αρχικής φωτεινότητας μετά από 5 ημέρες.,000 ώρες, έναντι 70% για τα φυτά με βάση το FR4.

4. Μειωμένα κόστη συστήματος
Με την ενσωμάτωση του απορροφητήρα θερμότητας στο PCB, τα σχέδια που υποστηρίζονται από αλουμίνιο εξαλείφουν την ανάγκη για ξεχωριστούς απορροφητές θερμότητας, μειώνοντας το κόστος υλικού και συναρμολόγησης κατά 15-30%.ένα φως LED υψηλής ισχύος 100W που χρησιμοποιεί ένα PCB με στήριξη αλουμινίου κοστίζει (5 ′′) 10 λιγότερο από ένα σχέδιο FR4 με πρόσθετο απορροφητή θερμότητας.

Αλουμινίου-υποστηρίζεται έναντι FR4 PCB σε εφαρμογές LED
Το χάσμα απόδοσης μεταξύ των PCB με στήριξη αλουμινίου και των PCB FR4 στα συστήματα LED είναι έντονο:

Σχεδιαστικές εκτιμήσεις για τα LED PCB που υποστηρίζονται από αλουμίνιο
Η βελτιστοποίηση των PCB με στήριξη αλουμινίου για LED απαιτεί ισορροπία θερμικών επιδόσεων, ηλεκτρικών απαιτήσεων και κόστους:
1. Επιλογή διηλεκτρικού στρώματος
Το διηλεκτρικό στρώμα είναι η γέφυρα μεταξύ χαλκού και αλουμινίου, οι ιδιότητες του επηρεάζουν άμεσα τη μεταφορά θερμότητας:
   α.Θερμική αγωγιμότητα:Για τα LED χαμηλής ισχύος, το 1 W/m·K είναι επαρκές και φθηνότερο.
   β.Σάχος:Τα λεπτότερα διηλεκτρικά (50 ̇ 100 μm) μεταφέρουν τη θερμότητα καλύτερα, αλλά μειώνουν την ηλεκτρική απομόνωση.
  c.Κατηγορία τάσης:Βεβαιωθείτε ότι το διηλεκτρικό πληροί ή υπερβαίνει την τάση του συστήματος LED (π.χ. 2kV για συσσωρευτές 120V AC).

2Σχεδιασμός στρώματος χαλκού
  α.Βάρος:Χρησιμοποιήστε χαλκό 2 ̊3oz για μονοπάτια υψηλού ρεύματος (π.χ. συστοιχίες LED που σχεδιάζουν 5A +).
   β.Δύση ίχνη:Τα ίχνη ισχύος LED πρέπει να είναι ≥ 0,5 mm για ρεύμα 1A για να ελαχιστοποιείται η αντίσταση θέρμανσης.
  c.Μέγεθος συσκευής:Τα θερμικά πλακίδια LED (εάν υπάρχουν) πρέπει να ταιριάζουν με το μέγεθος του πλακιδίου PCB (συνήθως 2 5 mm2) για τη μεγιστοποίηση της μεταφοράς θερμότητας από το LED στο χαλκό.

3Προδιαγραφές πυρήνα αλουμινίου
  α.Σάχος:Για εφαρμογές χαμηλής ισχύος, το 0,8 ̇ 1,5 mm εξισορροπεί την απόδοση και το κόστος.
  β.Επίπεδα:Οι μεγαλύτεροι πυρήνες αλουμινίου (ή εκείνοι με πτερύγια) βελτιώνουν την παθητική ψύξη.
  γ.Τύπος κράματος:Το αλουμίνιο 6061 (180 W/m·K) προσφέρει καλύτερη θερμική αγωγιμότητα από το 1050 (200 W/m·K), αλλά είναι ελαφρώς ακριβότερο.

4. Τοποθέτηση και καθοδήγηση LED
  α.Κατ' ίσην απόσταση:Διαστημικά LED ≥ 5 mm μεταξύ τους για να αποφευχθεί η αλληλεπικάλυψη των hotspots.
  β.Θερμικές διαδρομές:Προστίθενται διάδρομοι (0,3·0,5 mm) κάτω από μεγάλες συσκευασίες LED για τη μεταφορά θερμότητας από το στρώμα χαλκού στον πυρήνα αλουμινίου, μειώνοντας το Tj κατά 5·10 °C.
  γ. Αποφύγετε τις παγίδες θερμότητας:Ο δρόμος απομακρύνεται από τα LED pads για να αποφευχθεί η παρεμπόδιση της ροής θερμότητας στον πυρήνα του αλουμινίου.

Εφαρμογές: Όπου λάμπουν τα PCB με υποστήριξη από αλουμίνιο
Τα PCB που υποστηρίζονται από αλουμίνιο είναι απαραίτητα σε συστήματα LED όπου η απόδοση και η αξιοπιστία έχουν τη μεγαλύτερη σημασία:
1Εμπορικός και Βιομηχανικός φωτισμός
Φώτα υψηλού φωτισμού: τα φώτα 100 ⋅ 300 W στις αποθήκες και τα εργοστάσια βασίζονται σε πλακίδια PCB με στήριξη αλουμινίου για να χειριστούν πολλαπλά LED 10 W +.
Φωτισμοί δρόμου: Τα εξωτερικά φωτιστικά που εκτίθενται σε ακραίες θερμοκρασίες χρησιμοποιούν πυρήνες αλουμινίου για να διατηρήσουν τις επιδόσεις σε περιβάλλοντα -40 °C έως 60 °C.

2Φωτισμός αυτοκινήτων
Προβολείς LED: 20 ̊50 W ανά προβολέα, με πλαστικές πλάκες αλουμινίου που εξασφαλίζουν την αξιοπιστία κάτω από την καπό (100 °C + θερμοκρασίες).
Εσωτερικός φωτισμός: Ακόμη και τα μικρά φώτα θόλου χρησιμοποιούν λεπτό αλουμίνιο που υποστηρίζεται από PCB για να αποτρέψουν την υπερθέρμανση σε κλειστούς χώρους.

3Ειδικό φωτισμό
Φώτα καλλιέργειας: τα συστήματα 200-1000W με πυκνή συστοιχία LED απαιτούν μέγιστη απώλεια θερμότητας για τη διατήρηση σταθερών φάσμων φωτός για την ανάπτυξη των φυτών.
Φωτισμός σκηνής: Τα κινητά κεφάλια υψηλής απόδοσης (50 ̇ 200 W) χρησιμοποιούν PCB υποστηριζόμενα από αλουμίνιο για να χειρίζονται ταχείς κύκλους ενεργοποίησης / απενεργοποίησης χωρίς θερμική πίεση.

4Ηλεκτρονικά καταναλωτικά
Φωτογραφίες LED: Φωτογραφίες υψηλής πυκνότητας (120 LED/m) χρησιμοποιούν λεπτές πλακέτες PCB που υποστηρίζονται από αλουμίνιο για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση σε στενούς χώρους (π.χ. κάτω από ντουλάπια).
Φωτοβολείς: Οι συμπαγείς φανοί με υψηλό φως (1000+ lm) βασίζονται σε πυρήνες αλουμινίου για την ψύξη LED 5 ̊10W σε μικρά περιβλήματα.

Δοκιμές και επικύρωση για τα PCB LED
Η διασφάλιση της επιδόσεως ενός PCB με στήριξη αλουμινίου απαιτεί ειδικές δοκιμές:
1. Θερμική αντίσταση (Rth)
α.Μετρά την αποτελεσματική ροή θερμότητας από τη διασύνδεση LED στον πυρήνα αλουμινίου.
β.Μέθοδος δοκιμής: Χρησιμοποιείται θερμική κάμερα για τη μέτρηση των διαφορών θερμοκρασίας μεταξύ του LED pad και του πυρήνα από αλουμίνιο υπό σταθερή ισχύ.

2Θερμοκρασία διασταύρωσης (Tj)
α.Ελέγξτε αν το Tj παραμένει κάτω από το μέγιστο όριο ισχύος των LED (συνήθως 125 °C για εμπορικούς LED).
β.Μέθοδος δοκιμής: Χρησιμοποιείται θερμοσύνδεσμος συνδεδεμένος με τη θερμική πλάκα των LED ή εξαρτάται το Tj από τις μετατοπίσεις τάσης προς τα εμπρός (ανά δελτίο δεδομένων LED).

3. Σύγχρονη προσομοίωση ζωής
α.Επιταχυνόμενος θερμικός κύκλος (-40 °C έως 85 °C) για 1.000+ κύκλους για τη δοκιμή της αποστρωματισμού μεταξύ των στρωμάτων, μια κοινή κατάσταση αποτυχίας σε κακοπαρασκευασμένα PCB.

4. Σταθερότητα εκπομπής φωτός
α. Διατήρηση φωτεινότητας τροχιάς (L70) για περισσότερες από 1.000 ώρες λειτουργίας. Τα PCB που υποστηρίζονται από αλουμίνιο πρέπει να διατηρούν ≥95% της αρχικής φωτεινότητας, έναντι 80~85% για το FR4.

Συνηθισμένοι Μύθοι και Λάθος Αντιλήψεις
Μύθος: Όλα τα PCB που υποστηρίζονται από αλουμίνιο έχουν την ίδια λειτουργία.
Πραγματικότητα: Το διηλεκτρικό υλικό και το πάχος, το βάρος του χαλκού και η ποιότητα του αλουμινίου δημιουργούν σημαντικές διαφορές.ενώ μια έκδοση 5 W/m·K έχει 10 φορές καλύτερη απόδοση.

Μύθος: Τα PCB που υποστηρίζονται από αλουμίνιο είναι πολύ ακριβά για καταναλωτικά προϊόντα.
Πραγματικότητα: Για τα LED υψηλής ισχύος, το κόστος τους αντισταθμίζεται από μειωμένες ανάγκες απορρίπτη θερμότητας και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.

Μύθος: Οι παχύτεροι πυρήνες αλουμινίου έχουν πάντα καλύτερη απόδοση.
Πραγματικότητα: Η μείωση των αποδόσεων εφαρμόζεται· το αλουμίνιο πάχους 1 mm έως 2 mm μειώνει το Tj κατά 10 °C, αλλά το 2 mm έως 3 mm το μειώνει μόνο κατά 3 ̊5 °C.

Ενημερωτικά ερωτήματα
Ε: Μπορούν τα πλαίσια PCB που υποστηρίζονται από αλουμίνιο να χρησιμοποιηθούν με LED RGB;
Α: Ναι, είναι ιδανικά για τα RGB LED, τα οποία είναι επιρρεπή στην αλλαγή χρώματος υπό θερμότητα.

Ε: Υπάρχουν ευέλικτα πλαίσια PCB που υποστηρίζονται από αλουμίνιο για καμπυλωτά φώτα LED;
Α: Ναι ̇ οι ευέλικτες εκδόσεις χρησιμοποιούν λεπτούς (0,2 ̇ 0,5 mm) πυρήνες αλουμινίου και ευέλικτα διηλεκτρικά (π.χ. σιλικόνη) για καμπύλες εφαρμογές όπως λωρίδες LED στον φωτισμό του κόλπου.

Ε: Πόσο κοστίζει ένα PCB με στήριξη από αλουμίνιο σε σύγκριση με το FR4;
Α: 1,5×2 φορές περισσότερο για το ίδιο μέγεθος, αλλά το συνολικό κόστος του συστήματος (PCB + απορροφητή θερμότητας) είναι συχνά χαμηλότερο λόγω της εξάλειψης του κόστους απορροφητή θερμότητας σε σχέδια υψηλής ισχύος.

Ε: Ποια είναι η μέγιστη ισχύς LED που μπορεί να χειριστεί ένα PCB με υποστήριξη αλουμινίου;
Α: Μέχρι 500W+ με μεγάλο (300mm × 300mm) πυρήνα αλουμινίου και ενεργητική ψύξη (παιοστάτες).

Ε: Χρειάζεται ειδική συγκόλληση των PCB που υποστηρίζονται από αλουμίνιο;
Α: Δεν λειτουργούν τα τυποποιημένα προφίλ SMT, αν και η μεγαλύτερη θερμική μάζα μπορεί να απαιτεί λίγο μεγαλύτερους χρόνους απορρόφησης (30-60 δευτερόλεπτα σε 245 °C) για να εξασφαλιστεί καλή συγκόλληση συγκόλλησης.

Συμπεράσματα
Τα πλαίσια PCB που υποστηρίζονται από αλουμίνιο έχουν μεταμορφώσει την τεχνολογία LED, επιτρέποντας τα υψηλής ισχύος, μακροχρόνια φωτιστικά που καθορίζουν τον σύγχρονο φωτισμό.Ανοίγουν πιο φωτεινές εξόδους., σταθερότερη απόδοση και παρατεταμένη διάρκεια ζωής, ενώ ταυτόχρονα απλοποιούνται οι σχεδιασμοί και μειώνονται τα κόστη του συστήματος.
Για τους μηχανικούς και τους κατασκευαστές, η κατανόηση των αποχρώσεων του σχεδιασμού PCB με υποστήριξη αλουμινίου – από την επιλογή διηλεκτρικών έως το μέγεθος πυρήνα αλουμινίου – είναι το κλειδί για τη μεγιστοποίηση της απόδοσης των LED.Είτε κατασκευάζετε ένα προβολέα 10W ή ένα βιομηχανικό φωτιστικό 500W, αυτά τα εξειδικευμένα PCB δεν είναι πλέον μια επιλογή αλλά μια αναγκαιότητα για ανταγωνιστικά, αξιόπιστα προϊόντα LED.
Καθώς τα LED συνεχίζουν να σπρώχνουν τα όρια της αποτελεσματικότητας και της ισχύος, τα PCB που υποστηρίζονται από αλουμίνιο θα παραμείνουν ο βασικός συνεργάτης τους, διασφαλίζοντας ότι το φως που παράγουν είναι τόσο διαρκές όσο και φωτεινό.