PCB های پشتوانه آلومینیوم: افزایش قدرت و عملکرد LED

تصاویر مجاز مشتری

دیودهای ساطع کننده نور (LED) با راندمان انرژی و طول عمر بالا، انقلابی در نورپردازی ایجاد کرده اند، اما عملکرد آنها به یک عامل حیاتی بستگی دارد: مدیریت حرارت. LED ها تنها 20 تا 30 درصد از انرژی را به نور تبدیل می کنند - بقیه به گرما تبدیل می شود. بدون اتلاف موثر، این گرما جمع می شود، روشنایی را کاهش می دهد، دمای رنگ را تغییر می دهد و طول عمر را 50٪ یا بیشتر کاهش می دهد. وارد برد مدار چاپی (PCB) با پشتی آلومینیومی شوید: قهرمانان گمنام سیستم های LED با کارایی بالا. این PCB های تخصصی که برای بیرون کشیدن گرما از تراشه های LED و پراکنده کردن آن به طور موثر طراحی شده اند، محصولات LED روشن تر، قابل اطمینان تر و با دوام تر را امکان پذیر می کنند. این راهنما نحوه بهبود عملکرد LED توسط PCB های پشتی آلومینیومی، ظرافت های طراحی آنها و اینکه چرا در نورپردازی مدرن ضروری شده اند را بررسی می کند.

نکات کلیدی
   1. PCB های پشتی آلومینیومی دمای اتصال LED را 20 تا 40 درجه سانتیگراد در مقایسه با PCB های FR4 استاندارد کاهش می دهند و طول عمر LED را از 30000 به 50000+ ساعت افزایش می دهند.
   2. آنها چگالی توان 30 تا 50 درصد بالاتر را در وسایل LED امکان پذیر می کنند و خروجی روشن تری را امکان پذیر می کنند (به عنوان مثال، 150lm/W در مقابل 100lm/W با FR4).
   3. هدایت حرارتی PCB های پشتی آلومینیومی (1 تا 5 W/m·K) از FR4 استاندارد (0.2 تا 0.3 W/m·K) 5 تا 25 برابر بهتر است که برای LED های پرقدرت (10W+) بسیار مهم است.
   4. عوامل طراحی مانند ضخامت لایه دی الکتریک، وزن مس و اندازه هسته آلومینیومی مستقیماً بر عملکرد حرارتی تأثیر می گذارد - بهینه سازی می تواند راندمان را 15 تا 20 درصد افزایش دهد.

PCB های پشتی آلومینیومی برای LED ها چه هستند؟
PCB های پشتی آلومینیومی (که به آنها PCB های هسته آلومینیومی یا MCPCB برای بردهای مدار چاپی هسته فلزی نیز می گویند) زیرلایه های تخصصی هستند که در آن یک لایه نازک از مواد دی الکتریک رسانای حرارتی، یک لایه مدار مسی را به یک پایه آلومینیومی ضخیم متصل می کند. برخلاف PCB های FR4 استاندارد که به عنوان عایق حرارتی عمل می کنند، PCB های پشتی آلومینیومی هم به عنوان هادی الکتریکی و هم به عنوان هیت سینک عمل می کنند.

ساختار لایه
  الف. هسته آلومینیومی: ضخیم ترین لایه (0.8 تا 3.0 میلی متر)، ساخته شده از آلیاژ آلومینیوم (معمولاً 1050 یا 6061) که به دلیل هدایت حرارتی (180 تا 200 W/m·K) و مقرون به صرفه بودن انتخاب شده است.
  ب. لایه دی الکتریک حرارتی: یک لایه 50 تا 200 میکرومتری از اپوکسی یا سیلیکون پر شده با سرامیک با هدایت حرارتی بالا (1 تا 5 W/m·K) که مس را از آلومینیوم عایق الکتریکی می کند و در عین حال گرما را منتقل می کند.
  ج. لایه مدار مسی: 1 تا 3 اونس (35 تا 105 میکرومتر) ردیابی مس که LED ها و اجزا را متصل می کند، با مس ضخیم تر (2 تا 3 اونس) که برای مسیرهای جریان بالا در وسایل با چگالی توان بالا استفاده می شود.

چگونه PCB های پشتی آلومینیومی عملکرد LED را بهبود می بخشند
LED ها نسبت به دما بسیار حساس هستند. حتی افزایش های کوچک در دمای اتصال (Tj) عملکرد را کاهش می دهد:
   الف. روشنایی تقریباً 2٪ در هر درجه سانتیگراد افزایش می یابد.
   ب. تغییرات دمای رنگ (به عنوان مثال، LED های سفید سرد به آبی تبدیل می شوند).
   ج. طول عمر به صورت نمایی کاهش می یابد (طبق معادله آرنیوس، افزایش 10 درجه سانتیگراد Tj طول عمر را نصف می کند).
PCB های پشتی آلومینیومی با ایجاد یک مسیر حرارتی مستقیم از تراشه LED به هسته آلومینیومی، این مشکلات را برطرف می کنند.

1. دمای اتصال پایین تر
  الف. مسیر انتقال حرارت: هنگامی که یک LED کار می کند، گرما از تراشه از طریق پد لحیم کاری آن به لایه مسی، در سراسر دی الکتریک و به هسته آلومینیومی جریان می یابد که آن را پخش و دفع می کند.
  ب. تأثیر در دنیای واقعی: یک LED 10 واتی روی یک PCB پشتی آلومینیومی به Tj 65 درجه سانتیگراد می رسد، در مقابل 95 درجه سانتیگراد روی FR4 استاندارد - طول عمر را از 30000 به 60000 ساعت افزایش می دهد.

2. چگالی توان بالاتر
   الف. PCB های پشتی آلومینیومی امکان بسته بندی LED های بیشتر یا تراشه های با وات بالاتر را در همان فضا فراهم می کنند. به عنوان مثال:
      یک PCB پشتی آلومینیومی 100 میلی متر × 100 میلی متر می تواند شانزده LED 5 واتی (80 وات کل) را بدون گرم شدن بیش از حد تغذیه کند.
      PCB FR4 با همان اندازه به هشت LED 5 واتی (40 وات کل) محدود می شود تا از خرابی حرارتی جلوگیری شود.

3. خروجی نور ثابت
دمای پایدار از نوسانات روشنایی و تغییرات رنگ جلوگیری می کند. مطالعه ای توسط وزارت انرژی نشان داد که وسایل LED با استفاده از PCB های پشتی آلومینیومی 90٪ از روشنایی اولیه خود را پس از 5000 ساعت حفظ کردند، در مقابل 70٪ برای وسایل مبتنی بر FR4.

4. کاهش هزینه های سیستم
با ادغام هیت سینک در PCB، طرح های پشتی آلومینیومی نیاز به هیت سینک های جداگانه را از بین می برند و هزینه های مواد و مونتاژ را 15 تا 30 درصد کاهش می دهند. به عنوان مثال، یک چراغ خلیج بالا LED 100 واتی با استفاده از یک PCB پشتی آلومینیومی 5 تا 10 دلار کمتر از یک طرح FR4 با یک هیت سینک اضافی هزینه دارد.

PCB های پشتی آلومینیومی در مقابل FR4 در کاربردهای LED
شکاف عملکرد بین PCB های پشتی آلومینیومی و FR4 در سیستم های LED بسیار زیاد است:

نکات طراحی برای PCB های LED پشتی آلومینیومی
بهینه سازی PCB های پشتی آلومینیومی برای LED ها مستلزم متعادل کردن عملکرد حرارتی، الزامات الکتریکی و هزینه است:
1. انتخاب لایه دی الکتریک
لایه دی الکتریک «پل» بین مس و آلومینیوم است - خواص آن مستقیماً بر انتقال حرارت تأثیر می گذارد:
   الف. هدایت حرارتی: برای LED های پرقدرت (به عنوان مثال، اپوکسی های پر شده با سرامیک مانند Bergquist Thermagon) 3 تا 5 W/m·K را انتخاب کنید. برای LED های کم مصرف، 1 تا 2 W/m·K کافی و ارزان تر است.
   ب. ضخامت: دی الکتریک های نازک تر (50 تا 100 میکرومتر) گرما را بهتر منتقل می کنند اما عایق الکتریکی را کاهش می دهند. برای کاربردهای ولتاژ بالا (>50 ولت) از 100 تا 200 میکرومتر استفاده کنید تا از قوس الکتریکی جلوگیری شود.
  ج. رتبه ولتاژ: اطمینان حاصل کنید که دی الکتریک ولتاژ سیستم LED را برآورده می کند یا از آن فراتر می رود (به عنوان مثال، 2 کیلو ولت برای وسایل 120 ولت AC).

2. طراحی لایه مسی
   الف. وزن: از مس 2 تا 3 اونس برای مسیرهای جریان بالا (به عنوان مثال، آرایه های LED که 5 آمپر+ می کشند) استفاده کنید. مس ضخیم تر مقاومت را کاهش می دهد و گرما را در سراسر PCB پخش می کند.
   ب. عرض ردیابی: ردیابی های برق LED باید 0.5 میلی متر یا بیشتر برای جریان 1 آمپر باشد تا گرمایش مقاومتی به حداقل برسد.
   ج. اندازه پد: پدهای حرارتی LED (در صورت وجود) باید با اندازه پد PCB مطابقت داشته باشند (معمولاً 2 تا 5 میلی متر مربع) تا انتقال حرارت از LED به مس به حداکثر برسد.

3. مشخصات هسته آلومینیومی
  الف. ضخامت: هسته های ضخیم تر (2.0 تا 3.0 میلی متر) گرما را برای LED های پرقدرت (50 وات+) بهتر دفع می کنند. برای کاربردهای کم مصرف، 0.8 تا 1.5 میلی متر عملکرد و هزینه را متعادل می کند.
  ب. سطح: هسته های آلومینیومی بزرگتر (یا آنهایی که دارای باله هستند) خنک کننده غیرفعال را بهبود می بخشند. یک هسته 200 میلی متر × 200 میلی متر می تواند 100 وات را به صورت غیرفعال دفع کند، در حالی که یک هسته 100 میلی متر × 100 میلی متر ممکن است برای همان توان به هیت سینک نیاز داشته باشد.
  ج. نوع آلیاژ: آلومینیوم 6061 (180 W/m·K) هدایت حرارتی بهتری نسبت به 1050 (200 W/m·K) ارائه می دهد اما کمی گران تر است. هر دو برای اکثر کاربردهای LED کار می کنند.

4. قرار دادن و مسیریابی LED
  الف. فاصله مساوی: LED ها را 5 میلی متر یا بیشتر از هم فاصله دهید تا از همپوشانی نقاط داغ جلوگیری شود. برای آرایه های با چگالی بالا، از الگوی شبکه ای با شکاف های 10 تا 15 میلی متری استفاده کنید.
  ب. ویاهای حرارتی: ویاها (0.3 تا 0.5 میلی متر) را در زیر بسته های LED بزرگ اضافه کنید تا گرما را از لایه مسی به هسته آلومینیومی منتقل کنید و Tj را 5 تا 10 درجه سانتیگراد کاهش دهید.
  ج. از تله های حرارتی خودداری کنید: ردیابی ها را از پدهای LED دور کنید تا از مسدود شدن جریان گرما به هسته آلومینیومی جلوگیری شود.

کاربردها: جایی که PCB های پشتی آلومینیومی می درخشند
PCB های پشتی آلومینیومی در سیستم های LED که در آن عملکرد و قابلیت اطمینان از اهمیت بالایی برخوردار است، ضروری هستند:
1. روشنایی تجاری و صنعتی
    چراغ های خلیج بالا: وسایل 100 تا 300 واتی در انبارها و کارخانه ها به PCB های پشتی آلومینیومی متکی هستند تا چندین LED 10 وات+ را مدیریت کنند.
    چراغ های خیابانی: وسایل بیرونی که در معرض دمای شدید قرار دارند از هسته های آلومینیومی برای حفظ عملکرد در محیط های -40 درجه سانتیگراد تا 60 درجه سانتیگراد استفاده می کنند.

2. روشنایی خودرو
    چراغ های جلو LED: 20 تا 50 وات در هر چراغ جلو، با PCB های پشتی آلومینیومی که قابلیت اطمینان را در زیر کاپوت (دمای 100 درجه سانتیگراد+) تضمین می کنند.
    روشنایی داخلی: حتی چراغ های گنبدی کوچک از PCB های پشتی آلومینیومی نازک برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد در فضاهای بسته استفاده می کنند.

3. روشنایی تخصصی
    چراغ های رشد: سیستم های 200 تا 1000 واتی با آرایه های LED متراکم به حداکثر اتلاف گرما نیاز دارند تا طیف های نور ثابت را برای رشد گیاه حفظ کنند.
    نورپردازی صحنه: سرهای متحرک با خروجی بالا (50 تا 200 وات) از PCB های پشتی آلومینیومی برای مدیریت چرخه های روشن/خاموش سریع بدون استرس حرارتی استفاده می کنند.

4. لوازم الکترونیکی مصرفی
    نوارهای LED: نوارهای با چگالی بالا (120 LED/m) از PCB های پشتی آلومینیومی نازک برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد در فضاهای تنگ (به عنوان مثال، زیر کابینت ها) استفاده می کنند.
    چراغ قوه ها: چراغ قوه های فشرده و با لومن بالا (1000+ lm) به هسته های آلومینیومی متکی هستند تا LED های 5 تا 10 واتی را در محفظه های کوچک خنک کنند.

تست و اعتبارسنجی برای PCB های LED
اطمینان از عملکرد مورد نظر یک PCB پشتی آلومینیومی نیازمند آزمایش تخصصی است:
1. مقاومت حرارتی (Rth)
   الف. اندازه گیری میزان موثر جریان گرما از اتصال LED به هسته آلومینیومی. Rth کمتر (به عنوان مثال، 1 تا 2 درجه سانتیگراد/W) بهتر است.
   ب. روش آزمایش: از یک دوربین حرارتی برای اندازه گیری تفاوت های دما بین پد LED و هسته آلومینیومی تحت توان ثابت استفاده کنید.

2. دمای اتصال (Tj)
   الف. تأیید کنید که Tj زیر حداکثر رتبه LED (معمولاً 125 درجه سانتیگراد برای LED های تجاری) باقی می ماند.
   ب. روش آزمایش: از یک ترموکوپل متصل به پد حرارتی LED استفاده کنید یا Tj را از تغییرات ولتاژ رو به جلو (طبق برگه اطلاعات LED) استنباط کنید.

3. شبیه سازی طول عمر
   الف. چرخه حرارتی تسریع شده (-40 درجه سانتیگراد تا 85 درجه سانتیگراد) برای 1000+ چرخه برای آزمایش لایه برداری بین لایه ها - یک حالت خرابی رایج در PCB های با کیفیت پایین.

4. پایداری خروجی نور
   الف. نگهداری لومن (L70) را در طول 1000 ساعت کارکرد پیگیری کنید. PCB های پشتی آلومینیومی باید 95٪ یا بیشتر از روشنایی اولیه خود را حفظ کنند، در مقابل 80 تا 85٪ برای FR4.

افسانه ها و تصورات غلط رایج
افسانه: همه PCB های پشتی آلومینیومی یکسان عمل می کنند.
واقعیت: مواد دی الکتریک و ضخامت، وزن مس و کیفیت آلومینیوم تفاوت های قابل توجهی ایجاد می کنند. یک PCB دی الکتریک 1 W/m·K ممکن است تنها 2 برابر بهتر از FR4 عمل کند، در حالی که یک نسخه 5 W/m·K 10 برابر بهتر عمل می کند.

افسانه: PCB های پشتی آلومینیومی برای محصولات مصرفی خیلی گران هستند.
واقعیت: برای LED های پرقدرت، هزینه آنها با کاهش نیاز به هیت سینک و طول عمر بیشتر جبران می شود. یک PCB پشتی آلومینیومی در یک لامپ LED 100 واتی از یک هیت سینک جلوگیری می کند و در نتیجه هزینه های کل مشابهی دارد.

افسانه: هسته های آلومینیومی ضخیم تر همیشه بهتر عمل می کنند.
واقعیت: بازدهی کاهشی اعمال می شود - رفتن از آلومینیوم 1 میلی متری به 2 میلی متری Tj را 10 درجه سانتیگراد کاهش می دهد، اما 2 میلی متر تا 3 میلی متر آن را تنها 3 تا 5 درجه سانتیگراد کاهش می دهد.

سوالات متداول
س: آیا می توان از PCB های پشتی آلومینیومی با LED های RGB استفاده کرد؟
پاسخ: بله - آنها برای LED های RGB ایده آل هستند که مستعد تغییر رنگ در اثر گرما هستند. هسته های آلومینیومی هر سه تراشه رنگ را در دماهای ثابت نگه می دارند و دقت رنگ را حفظ می کنند.

س: آیا PCB های پشتی آلومینیومی انعطاف پذیر برای وسایل LED منحنی وجود دارد؟
پاسخ: بله - نسخه های انعطاف پذیر از هسته های آلومینیومی نازک (0.2 تا 0.5 میلی متر) و دی الکتریک های انعطاف پذیر (به عنوان مثال، سیلیکون) برای کاربردهای منحنی مانند نوارهای LED در نورپردازی فرورفته استفاده می کنند.

س: هزینه یک PCB پشتی آلومینیومی در مقایسه با FR4 چقدر است؟
پاسخ: 1.5 تا 2 برابر بیشتر برای همان اندازه، اما کل هزینه سیستم (PCB + هیت سینک) اغلب به دلیل حذف هزینه های هیت سینک در طرح های پرقدرت کمتر است.

س: حداکثر توان LED که یک PCB پشتی آلومینیومی می تواند تحمل کند چقدر است؟
پاسخ: تا 500 وات+ با یک هسته آلومینیومی بزرگ (300 میلی متر × 300 میلی متر) و خنک کننده فعال (فن). اکثر طرح های تجاری 10 تا 200 وات را به صورت غیرفعال مدیریت می کنند.

س: آیا PCB های پشتی آلومینیومی به لحیم کاری خاصی نیاز دارند؟
پاسخ: خیر - پروفایل های SMT reflow استاندارد کار می کنند، اگرچه جرم حرارتی بالاتر ممکن است به زمان خیساندن کمی طولانی تر (30 تا 60 ثانیه در 245 درجه سانتیگراد) نیاز داشته باشد تا از اتصالات لحیم کاری خوب اطمینان حاصل شود.

نتیجه
PCB های پشتی آلومینیومی فناوری LED را متحول کرده اند و وسایل پرقدرت و با دوام را که نورپردازی مدرن را تعریف می کنند، امکان پذیر می کنند. با پرداختن به چالش حیاتی مدیریت حرارت، آنها خروجی های روشن تر، عملکرد پایدارتر و طول عمر بیشتر را باز می کنند - همه اینها در حالی که طرح ها را ساده می کنند و هزینه های سیستم را کاهش می دهند.
برای مهندسان و تولیدکنندگان، درک ظرافت های طراحی PCB پشتی آلومینیومی - از انتخاب دی الکتریک تا اندازه هسته آلومینیومی - برای به حداکثر رساندن عملکرد LED کلیدی است. چه ساخت یک نورافکن 10 واتی یا یک وسیله صنعتی 500 واتی، این PCB های تخصصی دیگر یک گزینه نیستند، بلکه برای محصولات LED رقابتی و قابل اعتماد ضروری هستند.
از آنجایی که LED ها همچنان مرزهای راندمان و قدرت را جابجا می کنند، PCB های پشتی آلومینیومی شریک ضروری آنها باقی خواهند ماند و اطمینان حاصل می کنند که نوری که تولید می کنند به همان اندازه که روشن است، ماندگار است.