Печатные платы для компонентов с большим тепловыделением
Основные преимущества мощных ультраярких светодиодов по сравнению с традиционными источниками света:
- высокий срок эксплуатации (в десятки и даже сотни раз больший, чем в случае обычных ламп накаливания) позволяет гораздо реже производить замену сгоревших ламп, что особенно важно для труднодоступных мест;
- эффективность и высокий КПД: при аналогичной яркости светодиодные светильники потребляют в 3-5 раз меньше энергии, чем галогенные лампы или лампы накаливания;
удобство монтажа и компактность: поверхностный SMD монтаж и малые геометрические размеры светодиодов позволяют разработчикам и дизайнерам выбрать интересные решения для создания системы освещения; - широкий выбор оттенков белого цвета, цветные и RGB светодиоды: позволяют реализовывать интересные идеи разработчиков средств освещения или декоративной подсветки, применяя динамическое изменение цвета и яркости;
- низкие тепловое излучение от светодиодных светильников позволяет устанавливать их в таких местах, где применение ламп накаливания недопустимо из-за их высокого нагрева.
При повышении температуры перехода, кроме того, происходит снижение яркости свечения и смещению рабочей длины волны (изменение оттенка).
Так же полимер, из которого изготовлен корпус светодиода, нельзя нагревать выше определенного предела, т.к., из-за разности коэффициентов линейного расширения деталей светодиода (контактов, рамки, кристалла, материала линзы), возможен отрыв контактного соединения. Поэтому очень важно правильно рассчитать тепловой режим и, по возможности, максимально рассеять выделяемое светодиодом тепло.
Если используются светодиоды мощностью менее 0,5 Вт, то вполне приемлемым будет монтаж светодиодов на обычные печатные платы из текстолита марки FR-4.
Однако, при рассеивании более высоких мощностей может потребоваться использование специальных печатных плат с металлическим основанием и слоем диэлектрика, с улучшенной теплопроводностью имеющие тепловое сопротивление от 0,45 до 1,5 К/Вт.
Такие кластеры, при монтаже устанавливаются в светильники и другие конструкции, корпуса которых обеспечивают отвод выделяемого светодиодами тепла через металлическое основание на корпус. Каждый кластер рассчитывается для оптимизации системы охлаждения.
Формами показанными на рис. 2 не ограничивается возможная номенклатура кластеров. Печатные платы на металлическом основании могут быть практически любого формфактора поскольку применяется типовая технология.
М атериалы, используемые в платах с металлическим основанием:
Медная фольга – используется стандартная для производства печатных плат медная фольга толщиной от 35-350 мкм.
Диэлектрик — препрег – стеклоткань, пропитанная эпоксидными смолами толщиной 50-150 мкм.
Как работают светодиоды и их виды, полярность и расчет резистора
Устройство светодиода типа DIP
Давайте начнем наше подробное знакомство со светодиодов, произведенных по технологии DIP.
В большинстве случаев внешне данный диод реализован так: эпоксидный полусферический корпус, внутрь которого помешен катод с треугольной платформой где размещен кристалл. Рядом расположенный анод соединён с кристаллом с помощью тончайшего проводка. Вывода выполняются различной длины, где более длинная ножка это плюс, а более короткая — минус.
Так же существуют более сложные изделия с несколькими кристаллами, рассчитанными на свечение различными цветами. Помимо этого в корпус может встраиваться микрочип, с помощью которого задается очередность работы кристаллов и частота их мигания.
Сами по себе светодиоды в DIP оболочке относятся к слаботочным, а применяются в основном, в модулях подсветки и индикации. Например, всеми нами любимые новогодние гирлянды, как раз и выполнены с применением DIP светодиодов.
В попытках увеличить светоотдачу данный тип светодиодов претерпел значительные изменения и был создан светодиод в DIP оболочке с четырьмя контактами, который получил грозное имя «пиранья».
Они нашли свое применение в рекламных вывесках, автомобильных подсветках и т.д.
Развитие технологии привело к появлению светодиодов произведенных по технологии SMD.
Конструкции и материалы печатных плат
Устройство светодиода типа SMD
Данный тип светодиодов (с непосредственной фиксацией на поверхности печатной платы) разительно отличается от своего предшественника. Появление SMD- светодиода позволило автоматизировать производство различных систем освещения, уменьшить их габариты и снизить себестоимость.
Современные реалии таковы, что сейчас такой тип светодиодов является самым популярным.
Более широкое и массивное основание крепления самого кристалла позволило создать отличный отвод тепла в процессе работы кристалла.
В белых светодиодах такой конструкции люминофор занимает место между кристаллом и рассеивающей линзой. Это обеспечивает полную ликвидацию ультрафиолетового диапазона и создает нужную цветовую температуру двух диапазонов Cool white (холодный белый) и warm white (теплый белый)
Изолированные металлические подложки (IMS)
Два термина всегда используются в связи с теплоотводом и печатными платами: теплопроводность и тепловое сопротивление.
Теплопроводность описывает способность материала транспортировать тепло (энергию) и зависит от плотности материала, переносящего энергию. В таблице 1 представлены значения теплопроводности для материалов, которые обычно используются при изготовлении печатных плат.
| Материал — переносчик энергии | Теплопроводность, Вт/м•K |
| FR4 | ~0,2 |
| Воздух | ~0,02 |
| Алюминий | ~220 |
| Медь | ~400 |
| Спец. препреги | ≥1 |
Материалы с теплопроводностью ниже 0,8 Вт/м·K считаются термоизоляторами. Так как печатная плата состоит из различных материалов, невозможно указать конкретное значение ее теплопроводности.
Для описания качества теплопроводности часто используется значение теплового сопротивления Rth (1). Это значение может быть определено на основе толщины слоя материала d, контактной площади A и теплопроводности λ:
Таким образом может быть рассчитано тепловое сопротивление каждого материала печатной платы. Общее сопротивление печатной платы IMS — это сумма отдельных сопротивлений:
Из этого следует, что чем тоньше слой материала и чем лучше теплопроводность, тем, соответственно, ниже тепловое сопротивление.
Отвод тепла с помощью металлического основания платы
В печатных платах этого типа вместо обычного базового материала используется металлическое основание или сердцевина из алюминия или меди. На это основание с помощью препрега закрепляется медная фольга. Металлическое основание является, таким образом, неотъемлемой частью печатной платы (рис. 1).
Рис. 1. Печатная плата IMS: a) конструкция односторонней платы; б) шлиф
Общие правила проектирования приведены в таблице 2 и на рис. 2.
Рис. 2. Схема конструкции: а) односторонняя плата с металлическим основанием; б) двусторонняя плата с металлической сердцевиной
Таблица 2. Параметры для проектирования печатных плат с металлической сердцевиной
| Материал — переносчик энергии | Теплопроводность, Вт/м•K |
| FR4 | ~0,2 |
| Воздух | ~0,02 |
| Алюминий | ~220 |
| Медь | ~400 |
| Спец. препреги | ≥1 |
Светодиоды. Характеристики и основные схемы подключения на 12 вольт и 220В
- Толщина металлического основания или подложки (стоимость сырьевого материала).
- Толщина медной фольги (стоимость сырьевого материала).
- Количество высверленных отверстий (износ инструмента).
- Количество фрезированных структур (износ инструмента).
