PCB z aluminium: zwiększenie mocy i wydajności diod LED

Wyobraźnia zmodernizowana przez klienta

Diody emitujące światło (LED) zrewolucjonizowały oświetlenie dzięki swojej efektywności energetycznej i długiej żywotności, ale ich wydajność zależy od jednego kluczowego czynnika: zarządzania ciepłem.LED przekształca tylko 20-30% energii w światło, reszta staje się ciepłemBez skutecznego rozpraszania ciepło gromadzi się, zmniejsza jasność, zmienia temperaturę koloru i skraca żywotność o 50% lub więcej.nieznani bohaterowie systemów LED o wysokiej wydajnościZaprojektowane w taki sposób, aby odciągać ciepło od chipów LED i skutecznie je rozpraszać, te specjalistyczne płytki PCB umożliwiają jaśniejsze, bardziej niezawodne i dłużej trwające produkty LED.W niniejszym przewodniku wyjaśniono, w jaki sposób płytki PCB z aluminium poprawiają wydajność LED, ich niuanse projektowe i dlaczego stały się niezbędne w nowoczesnym oświetleniu.

Kluczowe wnioski
1.PCB z aluminium zmniejszają temperaturę połączeń LED o 20-40 °C w porównaniu ze standardowymi PCB FR4, wydłużając żywotność LED od 30 000 do 50 000+ godzin.
2Umożliwiają one 30~50% wyższą gęstość mocy w oprawach LED, umożliwiając jaśniejszą moc wyjściową (np. 150lm/W w porównaniu z 100lm/W z FR4).
3Przewodność cieplna płyt PCB z aluminium (1 ‰ 5 W / m · K) przewyższa standard FR4 (0,2 ‰ 0,3 W / m · K) o 5 ‰ 25x, co jest krytyczne dla wysokiej mocy diod LED (10 W +).
4Czynniki projektowe takie jak grubość warstwy dielektrycznej, waga miedzi i wielkość rdzenia aluminiowego bezpośrednio wpływają na wydajność termiczną.

Co to są PCB z aluminium do diod 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 baseW przeciwieństwie do standardowych płyt FR4, które działają jako izolacje termiczne, płyty PCB z aluminium działają zarówno jako przewodniki elektryczne, jak i odładowania ciepła.

Struktura warstwy
a.Rdzeń aluminiowy: najgrubsza warstwa (0,8 ∼3,0 mm), wykonana z stopów aluminium (zwykle 1050 lub 6061), wybrana ze względu na przewodność cieplną (180 ∼200 W/m·K) i opłacalność.
b. Warstwa dielektryczna termiczna:Warstwa epoksydu lub silikonu wypełnionej ceramiką o średnicy 50 ‰ 200 μm o wysokiej przewodności cieplnej (1 ‰ 5 W/m·K), która izoluje elektrycznie miedź z aluminium podczas przenoszenia ciepła.
c. Warstwa obwodu miedzianego: ślady miedzi o długości 1 ̊3oz (35 ̊105 μm), które łączą diody LED i komponenty, z grubszą miedzią (2 ̊3 ̊) stosowaną do ścieżek wysokiego prądu w urządzeniach o dużej mocy.

W jaki sposób płytki PCB z aluminium poprawiają wydajność diod LED
LED są bardzo wrażliwe na temperaturę, nawet niewielkie wzrosty temperatury połączenia (Tj) obniżają wydajność:
a. Światłość spada o ~ 2% wraz ze wzrostem temperatury °C.
b.Zmiany temperatury koloru (np. zimne białe diody LED zmieniające kolor na niebieski).
c. Długość życia zmniejsza się wykładniczo (według równania Arrheniusa, wzrost o 10°C Tj zmniejsza długość życia).
PCB oparte na aluminium rozwiązują ten problem, tworząc bezpośrednią ścieżkę termiczną od chipu LED do rdzenia aluminiowego, łagodząc te problemy.

1Temperatury niższych skrzyżowań
a. Drogę przenoszenia ciepła: podczas działania diody LED ciepło przepływa z chipu przez podkładkę lutową do warstwy miedzianej, przez dielektryk i do rdzenia aluminiowego, które się rozprasza i rozprasza.
b.Wpływ w świecie rzeczywistym: LED o mocy 10 W na płytce PCB z aluminium osiąga temperaturę Tj 65°C, w porównaniu z 95°C w przypadku standardowego FR4 – wydłużając żywotność od 30 000 do 60 000 godzin.

2Większa gęstość mocy
a.PCB z aluminium umożliwiają umieszczenie większej liczby diod LED lub chipów o wyższej mocy w tej samej przestrzeni.
100 mm × 100 mm płytka z aluminium może zasilać szesnaście diod LED o mocy 5 W (łącznie 80 W) bez przegrzania.
W celu uniknięcia awarii termicznej PCB FR4 o tej samej wielkości ogranicza się do ośmiu diod LED o mocy 5 W (łącznie 40 W).

3. Konsekwentna moc światła
Stabilne temperatury zapobiegają wahaniom jasności i zmianom koloru.Badanie przeprowadzone przez Departament Energii wykazało, że oprawy LED z wykorzystaniem płyt PCB z aluminium utrzymywały 90% początkowej jasności po 5, 000 godzin, w porównaniu z 70% dla oprawy na bazie FR4.

4. Obniżenie kosztów systemu
Dzięki zintegrowaniu ciepłoodpływacza z PCB konstrukcje z aluminium eliminują potrzebę oddzielnych ciepłoodpływaczy, zmniejszając koszty materiału i montażu o 15-30%.100W światło LED o wysokiej podłożu, wykorzystujące płytę PCB z aluminium, kosztuje (5 ¢) 10 mniej niż konstrukcja FR4 z dodatkowym ciepłoodpornikiem.

PCB z aluminium i FR4 w zastosowaniach LED
Różnica w wydajności między płytami PCB z aluminium i FR4 w systemach LED jest ogromna:

Rozważania projektowe dla płytek LED z aluminium
Optymalizacja płytek PCB z aluminium do diod LED wymaga zrównoważenia wydajności termicznej, wymagań elektrycznych i kosztów:
1. Wybór warstwy dielektrycznej
Warstwa dielektryczna jest "mostem" pomiędzy miedzią a aluminium. Jej właściwości bezpośrednio wpływają na transfer ciepła:
   a. Przewodność cieplna:W przypadku LED o wysokiej mocy należy wybrać 3 ‰ 5 W/m·K (np. epoksydy wypełnione ceramiką, takie jak Bergquist Thermagon).
   b.Grubość:Cienkie materiały dielektryczne (50-100 μm) lepiej przenoszą ciepło, ale zmniejszają izolację elektryczną.
  c. Nominalne napięcie:Upewnij się, że dielektryczna spełnia lub przekracza napięcie systemu LED (np. 2kV dla urządzeń o napięciu przemiennym 120 V).

2Projekt warstwy miedzi
  a.Masę:Użyj miedzi 2 ̊3 oz dla ścieżek o wysokim prądzie (np. arrayy LED rysujące 5A +).
   b. Szerokość śladu:Ślady zasilania LED powinny mieć szerokość ≥ 0,5 mm dla prądu 1 A w celu zminimalizowania podgrzewania oporu.
  c. Rozmiar podkładki:LED-y termiczne (jeśli istnieją) powinny odpowiadać rozmiarowi płytek PCB (zwykle 2 5 mm2), aby zmaksymalizować transfer ciepła z LED do miedzi.

3Specyfikacje rdzenia aluminium
  a.Grubość:Bardziej grube rdzenie (2,0 × 3,0 mm) lepiej rozpraszają ciepło dla wysokiej mocy diod (50 W +).
  b.Powierzchnia:Większe rdzenie aluminiowe (lub te z płetwami) poprawiają chłodzenie pasywne.
  c. Typ stopów:Aluminium 6061 (180 W/m·K) oferuje lepszą przewodność cieplną niż 1050 (200 W/m·K), ale jest nieco droższe.

4. Umieszczenie i kierowanie LED
  a.Równomierne rozstawienie:Światła LED w przestrzeni ≥ 5 mm od siebie w celu zapobiegania nakłanianiu się punktów wysokiej gęstości.
  b.Przewody termiczne:Dodać przewody (0,3 ∼0,5 mm) pod dużymi opakowaniami LED, aby przenieść ciepło z warstwy miedzi do rdzenia aluminiowego, zmniejszając Tj o 5 ∼10 °C.
  c. Unikać pułapek cieplnych:Ślady drogi z dala od podkładek LED, aby zapobiec blokowaniu przepływu ciepła do rdzenia aluminiowego.

Zastosowanie: W miejscu, gdzie błękitne PCB z aluminium świecą
PCB z aluminium są niezbędne w systemach LED, w których najważniejsze są wydajność i niezawodność:
1Oświetlenie handlowe i przemysłowe
Światła wysokiej mocy: oprawy o mocy 100 ̊300 W w magazynach i fabrykach opierają się na płytkach PCB z aluminium, aby obsługiwać wiele diod LED o mocy 10 W+.
Oświetlenie uliczne: Oświetlenie zewnętrzne narażone na ekstremalne temperatury wykorzystuje rdzenie aluminiowe w celu utrzymania wydajności w warunkach od -40 do 60 °C.

2. Oświetlenie samochodowe
Światła główne LED: 20 ̊50 W na światło główne, z pokryciami PCB aluminiowymi zapewniającymi niezawodność pod maską (100 °C +).
Oświetlenie wnętrza: Nawet małe światła kopułowe wykorzystują cienkie płytki PCB z aluminium, aby zapobiec przegrzaniu w zamkniętych przestrzeniach.

3Specjalne oświetlenie
Światła do wzrostu: systemy o mocy 200-1000 W z gęstymi układami LED wymagają maksymalnego rozpraszania ciepła w celu utrzymania spektra światła dla wzrostu roślin.
Oświetlenie sceniczne: głowice ruchome o wysokiej mocy (50 ‰ 200 W) wykorzystują płytki PCB z aluminium, aby radzić sobie z szybkimi cyklami włączania/wyłączania bez obciążenia termicznego.

4Elektronika użytkowa
Paski LED: Paski o wysokiej gęstości (120 LED/m) wykorzystują cienkie płytki PCB z aluminium, aby uniknąć przegrzania w ciasnych przestrzeniach (np. pod szafkami).
Dźwigniające lampy: Kompaktne lampy z dużym światłem (1000+ lm) polegają na rdzeniach aluminiowych do chłodzenia 5 ̊10W diod LED w małych obudowach.

Badania i walidacja PCB LED
Zapewnienie, że płytki PCB z aluminium działają zgodnie z przeznaczeniem wymaga specjalistycznych badań:
1. Opór termiczny (Rth)
a.Mierzy skuteczność przepływu ciepła z połączenia LED do rdzenia aluminiowego.
b.Metoda badania: W celu pomiaru różnic temperatur pomiędzy podkładką LED a rdzeniem aluminiowym przy stałym zasilaniu należy zastosować kamerę termiczną.

2. Temperatura skrzyżowania (Tj)
a.Weryfikuje, czy Tj pozostaje poniżej maksymalnej wartości wartości LED (zwykle 125°C dla komercyjnych diod LED).
b.Metoda badania: zastosować termoelement przymocowany do podkładki termicznej diody LED lub wywnioskować Tj ze zmian napięcia do przodu (na kartę danych LED).

3. Symulacja długości życia
a.Przyspieszony cykl termiczny (od -40°C do 85°C) przez ponad 1000 cykli w celu testowania delaminacji między warstwami - powszechny tryb awarii w słabo wytwarzanych PCB.

4. Stabilność światła
a. utrzymanie światła ścieżki (L70) w ciągu 1000 godzin pracy. PCB z aluminium powinny utrzymywać ≥95% początkowej jasności, w porównaniu z 80~85% dla FR4.

Powszechne mity i błędne poglądy
Mit: Wszystkie płytki PCB z aluminium działają tak samo.
Fakt: Materiał dielektryczny i grubość, waga miedzi i jakość aluminium powodują znaczne różnice.podczas gdy wersja 5 W/m·K działa 10 razy lepiej.

Mit: PCB z aluminium są zbyt drogie dla produktów konsumpcyjnych.
Fakt: W przypadku wysokiej mocy diod LED ich koszty są kompensowane przez zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło i dłuższą żywotność.

Mit: Grubsze rdzenie aluminiowe zawsze są lepsze.
Fakt: Zmniejszanie zwrotu zastosowane w przypadku aluminium o grubości od 1 mm do 2 mm obniża Tj o 10 °C, ale 2 mm do 3 mm obniża go tylko o 3 ̊5 °C.

Często zadawane pytanie
P: Czy płytki PCB z aluminium mogą być używane z diodami RGB?
Odpowiedź: Tak, są one idealne dla diod RGB, które są podatne na zmiany koloru pod wpływem ciepła.

P: Czy istnieją elastyczne płytki PCB z aluminium dla zakrzywionych urządzeń LED?
Odpowiedź: Tak, wersje elastyczne wykorzystują cienkie rdzenie aluminiowe (0,2 ∼0,5 mm) i elastyczne materiały dielektryczne (np. silikon) do zastosowań zakrzywionych, takich jak taśmy LED w oświetleniu zatoki.

P: Ile kosztuje PCB z aluminium w porównaniu z FR4?
Odpowiedź: 1,5×2x więcej dla tego samego rozmiaru, ale całkowity koszt systemu (PCB + radiator) jest często niższy ze względu na wyeliminowane koszty radiatorów w konstrukcjach o dużej mocy.

P: Jaka jest maksymalna moc LED, którą może obsłużyć PCB z aluminium?
Odpowiedź: Do 500W+ z dużym (300mm × 300mm) rdzeniem aluminiowym i chłodzeniem aktywnym (fanami).

P: Czy płytki PCB z aluminium wymagają specjalnego lutowania?
Odpowiedź: Nie działają standardowe profile odpływu SMT, chociaż większa masa cieplna może wymagać nieco dłuższych czasów wchłaniania (30-60 sekund w temperaturze 245 °C) w celu zapewnienia dobrych złączy lutowych.

Wniosek
Aluminium-backed PCB przekształciły technologię LED, umożliwiając wysokiej mocy, trwałe oprawy, które definiują nowoczesne oświetlenie.Uwolniają jaśniejsze wyjścia., stabilniejsza wydajność i wydłużony okres użytkowania przy jednoczesnym uproszczeniu konstrukcji i obniżeniu kosztów systemu.
Dla inżynierów i producentów zrozumienie niuansów projektowania płytek PCB opartych na aluminium ‒ od wyboru dielektrycznego do rozmiaru rdzenia aluminiowego ‒ jest kluczem do maksymalizacji wydajności LED.Czy zbudować reflektor 10W lub 500W armaturę przemysłową, te wyspecjalizowane PCB nie są już opcją, ale koniecznością dla konkurencyjnych, niezawodnych produktów LED.
Ponieważ diody LED nadal przekraczają granice wydajności i mocy, płytki PCB z aluminium pozostaną ich niezbędnym partnerem, zapewniając, że światło, które wytwarzają, jest tak trwałe, jak jasne.