Zarządzanie cieplne w PCB: wydłużenie okresu życia oświetlenia LED

Oświetlenie LED zrewolucjonizowało efektywność energetyczną, ale jego wydajność i długowieczność zależą od jednego kluczowego czynnika: zarządzania ciepłem.LED przekształca 80% energii w światło, ale pozostałe 20% nadal wytwarza wystarczającą ilość ciepła do degradacji komponentówWzrost temperatury łącza LED o 10°C może skrócić okres eksploatacji o 50%, co sprawia, że płyty drukowane z solidnym zarządzaniem cieplnym (PCB) są nie tylko funkcją, ale koniecznością.Oto, jak optymalizowany projekt PCB i materiały zapewniają, że oświetlenie LED trwa 50,000+ godzin, nawet w zastosowaniach o wysokim obciążeniu, takich jak armatury przemysłowe lub zewnętrzne lampy uliczne.

Kluczowe informacje.

• Temperatura łącznika LED musi utrzymywać się poniżej 125°C; nadmiar ciepła powoduje obniżenie światła i awarię części.
• PCB o rdzeniu metalowym (MCPCB) i laminacje o wysokiej temperaturze rozpraszają ciepło 3×5 razy szybciej niż tradycyjne płyty FR-4.
• Odpowiednia konstrukcja płyt PCB, łącznie z szerokością śladów, grubością miedzi i integracją ciepłoodporników, zmniejsza odporność termiczną nawet o 40%.
• Standardy przemysłowe takie jak IPC-2221 i LM-80 wskazują najlepsze praktyki zarządzania cieplnym w celu zapewnienia niezawodnej wydajności diod LED.

Dlaczego ciepło zabija diody LED: Nauka o stresie cieplnym

LED działają poprzez przekazywanie prądu przez półprzewodnik, proces, który generuje ciepło w połączeniu (interfejs między warstwami).

a.W temperaturze łączenia 85°C diody LED trwają zazwyczaj 50 000 godzin.
b.W temperaturze 105°C długość życia spada do 25 000 godzin.
c.W temperaturze 125°C spada do zaledwie 10 000 godzin1/5 jego potencjalnej długości życia.

W oświetleniu zewnętrznym, gdzie w okresie letnim temperatura otoczenia może osiągnąć 40°C+,słabe zarządzanie energią cieplną zamienia LED o wartości 10 lat w LED wymienne na okres 2 lat- Nie.

Jak PCB kontrolują ciepło LED: rozwiązania projektowe i materiałowe
PCB pełni funkcję głównego przewodnika ciepła w oprawach LED, przekazując ciepło z połączenia LED do zlewni ciepła lub środowiska.wybór materiału i optymalizacja projektu- Nie.

1Porównanie materiałów PCB: kwestie przewodności cieplnej
Nie wszystkie PCB są równe pod względem rozpraszania ciepła.

Uwaga: Przewodność cieplna mierzy, jak dobrze materiał przenosi ciepło. Wyższe wartości oznaczają szybszą rozpraszanie.
PCB z rdzenia aluminiowego (MCPCB) są słodkim punktem dla większości wysokiej mocy diod LED, oferując 300% poprawę przenoszenia ciepła w porównaniu z FR-4 bez kosztów rdzenia miedzianego.światło reflektorów LED o mocy 100 W z wykorzystaniem MCPCB utrzymuje temperaturę połączenia 75 °C, podczas gdy ten sam projekt na FR-4 osiąga temperaturę 110°C, zwiększając żywotność o 70%.

2. Techniki projektowania w celu zwiększenia rozpraszania ciepła
Nawet z odpowiednimi materiałami, zła konstrukcja PCB może zatrzymać ciepło.
a.Gęstość miedzi: Gęstsza miedź (2 oz vs 1 oz) zwiększa przepływ ciepła o 50%. Warstwa miedzi o grubości 2 oz (70 μm) działa jak "drógę cieplną", rozprowadzając ciepło przez PCB szybciej niż cienkie alternatywy.
b. Układ śladów: szerokie, krótkie ślady zmniejszają odporność termiczną. W przypadku diody LED o mocy 50 W, ślady powinny mieć szerokość co najmniej 3 mm, aby uniknąć gorących punktów.
c.Przewody termiczne: Przewody pokryte warstwą (0,3 ∼0,5 mm średnicy) łączą podkładkę LED z dolną warstwą PCB, działając jako rury cieplne.
d.Integracja zlewu cieplnego: bezpośrednie wiązanie PCB z aluminium zlewu cieplnego (za pomocą pasty termicznej lub kleju o przewodności 0,5 W/m·K) dodaje drugorzędną ścieżkę do ucieczki ciepła.
Badanie przeprowadzone przez Lighting Research Center wykazało, że połączenie tych zmian w konstrukcji może wydłużyć żywotność diody LED z 30 000 do 60 000 godzin w komercyjnych światłach.

Zarządzanie cieplne w konkretnych zastosowaniach LED
Różne środowiska wymagają dostosowanych rozwiązań.

Oświetlenie zewnętrzne (światła uliczne, reflektory)
a.LED zewnętrzne są narażone na ekstremalne temperatury (-40°C do 60°C) i wilgotność.
b.Używać MCPCB z aluminium z grubością warstwy dielektrycznej (100 μm) w celu odporności na wilgoć.
c. Dodać do tylnej strony PCB płetwistego radiatora ciepła, co jest niezbędne dla urządzeń o mocy 150 W lub większej.
Przykład: lampy uliczne wykorzystujące te specyfikacje utrzymywały 90% mocy światła po 5 latach, w porównaniu z 50% w przypadku projektów opartych na FR-4.

Oświetlenie samochodowe (światła przednie, tylne)
Wibracje i ciepło pod kapsułą (do 125°C) wymagają wytrzymałych konstrukcji.
a.PCB o rdzeniu miedzianym wytrzymują wysokie temperatury; ich sztywność jest odporna na uszkodzenia drgań.
b. Używać przewodów termicznych w pobliżu paneli LED w celu zapobiegania pojawianiu się punktów gorących w ciasnych obudowach reflektorów.
c. Zgodność: spełnienie wymogów normy AEC-Q102 (standard komponentów LED) i IPC-2221 w zakresie projektowania PCB.

Oświetlenie w pomieszczeniach komercyjnych (biurowe, handlowe)
Ograniczenia przestrzenne i cykle przyciemniania wymagają kompaktowej wydajności.
a. Szczupłe aluminium MCPCB pasuje do płytkich urządzeń; 1 uncja miedzi równoważy ciepło i koszty.
b.Projektowany do łatwego mocowania zlewu ciepła (np. przedwiercone otwory mocowania).
c. Korzyść: 40% niższe koszty utrzymania w sieciach handlowych ze względu na mniejszą liczbę wymian.

Badania i walidacja: zapewnienie wydajności termicznej
Nie polegaj na symulacjach, sprawdź w rzeczywistości:
a.Wyświetlenie termiczne: Kamery FLIR identyfikują punkty gorące (cel: <10°C powyżej poziomu otoczenia na krawędziach PCB).
b.LM-80 Badanie: Niniejsza norma branżowa mierzy obniżenie światła przez ponad 6000 godzin w temperaturze 85°C i 105°C, zapewniając zgodność z wymogami Energy Star.
c. Obliczenie odporności termicznej (Rθ): Cel Rθ < 5°C/W (przełączenie z otoczeniem) dla diod o dużej mocy. W przypadku diody LED o mocy 100 W, utrzymuje się temperaturę przełączenia poniżej 85 °C (25 °C otoczenia + 100 W x 5 °C/W).

Częste pytania
P: Jak grubość PCB wpływa na zarządzanie cieplne?
Odpowiedź: grubsze płytki PCB (1,6 mm w porównaniu z 0,8 mm) zapewniają więcej materiału do rozprzestrzeniania ciepła, ale materiał rdzeniowy ma większe znaczenie.
P: Czy elastyczne płytki PCB mogą obsługiwać ciepło LED?
Odpowiedź: Tak, ale tylko dla diod LED o niskiej mocy (< 10 W).2W/m·K) jest niższy niż w przypadku sztywnych MCPCB- Nie.
P: Jaki jest wpływ na koszty modernizacji na MCPCB?
A: Aluminiowe PCB MCPCB zwiększają koszty PCB o ~ 20%, ale zmniejszają ogólne koszty posiadania o 50% dzięki dłuższej długości życia i mniejszej liczbie wymian.

Wniosek
Zarządzanie cieplne w płytkach drukowanych nie jest kwestią późniejszą, ale podstawą niezawodnego oświetlenia LED.gruba miedź)Dla producentów oznacza to zadowolenie klientów, mniejsze roszczenia gwarancyjne,i przewagę konkurencyjną w szybko rozwijającym się sektorze LED