Печатные платы для компонентов с большим тепловыделениемВ помощь конструкторуwww.electrosad.ru | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
В современной электронике увеличилась номенклатура компонентов с высоким тепловыделением. Попробуем рассмотреть конструкции печатных плат для таких применений на примере сборок сверхярких мощных светодиодов и находят все более широкое применение в различных отраслях техники и быту. Эти светодиоды отличаются большим, для малых размеров кристаллов, тепловыделением (от единиц до десятков ватт). В последнее время, в связи с последними достижениями в области светодиодной светотехники, резко вырос интерес к созданию источников света на основе мощных ультраярких светодиодов. Световая эффективность полупроводниковых светодиодов достигла уже 100лм/Вт. Такие ультраяркие светодиоды приходят на смену обычным лампам накаливания и находят свое применение практически во всех областях светотехники: лампы уличного освещения, автомобильная светотехника, дежурное освещение, рекламные вывески, светодиодные панели, индикаторы, бегущие строки, светофоры и т.д. Эти светодиоды стали незаменимы в декоративном освещении, в светодинамических системах благодаря их монохромному цвету и скорости включения. Выгодно их применять и там, где необходимо жестко экономить электроэнергию, где дорого обходится частое обслуживание и где высоки требования по электробезопасности.
Основные преимущества мощных ультраярких светодиодов по сравнению с традиционными источниками света:
В отличие от обычных ламп накаливания, светодиоды не излучают тепло в окружающие пространство, а проводят его в направлении от p-n перехода к теплоотводу в корпусе светодиода (обычно или вывод светодиода или специальная металлическая пластинка). Поэтому процесс отвода тепла более сложен и специфичен. Путь отвода тепла состоит из множества тепловых сопротивлений: «p-n переход - теплоотвод корпуса», «теплоотвод корпуса - печатная плата», «печатная плата - радиатор», «радиатор - окружающая среда». Вследствие этого, использование мощных светодиодов связано с высокой вероятностью чрезмерного увеличения температуры перехода, от которой напрямую зависят срок службы, надежность и световые характеристики светодиода.
Рисунок 1 Данные исследований говорят, что примерно 65-85% электроэнергии при работе светодиода преобразуется в тепло. Однако, при условии соблюдения рекомендованных производителем светодиодов тепловых режимов, срок службы светодиода может достигать 10 лет. Но, если нарушить тепловой режим (обычно это работа с температурой перехода более 120...125°С), срок службы светодиода может упасть в 10 раз! А при грубом несоблюдении рекомендованных тепловых режимов, например, при включении светодиодов типа emitter без радиатора в течение более 5-7 сек, светодиод может выйти из строя уже во время первого включения. 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. Крупные производители мощных светодиодов, такие как Cree, Osram, Nichia, Luxeon, Seoul Semiconductor, Edison Opto и т.п., уже давно, для упрощения включения и расширения областей применения светодиодов, изготавливают их в виде светодиодных модулей или кластеров на печатных платах с металлическим основанием (в международной классификации IMPCB – Insulated Metal Printed Circuit Board, или AL PCB – печатные платы на алюминиевом основании). Светодиодные кластеры представляют собой готовые к подключению платы различной формы (круглые, линейные, прямоугольные, шестиугольные в виде звезд и колец) с посадочным местом для одного или нескольких светодиодов с различными схемами соединения (последовательое, параллельное, комбинированное) и предусматривающие установку линз (коллиматоров), простое подключение питания и удобное крепление. Подключение кластера к драйверу питания светодиодов осуществляется либо пайкой к контактным площадкам платы, либо к установленному на плате разъему. Такие кластеры иногда содержат как ограничительные сопротивления, так и сам драйвер питания, поэтому могут напрямую подключаться к низковольтному питанию.
Рисунок 2
Формами показанными на рис. 2 не ограничивается возможная номенклатура кластеров. Печатные платы на металлическом основании могут быть практически любого формфактора поскольку применяется типовая технология. Кластеры на основе печатных плат с металлическим основанием вместе со смонтированными на ней светодиодами могут быть, при необходимости установлены на дополнительный теплоотвод - завершающее звено теплового пути. Выбор этого теплоотвода, а это может быть и алюминиевый радиатор и металлический корпус изделия, зависит от того, какая часть общего бюджета теплового сопротивления «переход - окружающая среда» была «растрачена» на предыдущие звенья теплового пути. Для светодиода с рассеиваемой мощностью 1 Вт (при условии естественной незатрудненной конвекции при 25 °C) нужна плата с алюминиевым основанием площадью не менее 6,5 см2. Если площадь платы под светодиодом примерно соответствует данному значению, такое устройство кластера не нуждается в дополнительном теплоотводе при работе светодиода в номинальном режиме. При работе в закрытом корпусе, а также в условиях повышенной температуры окружающей среды (около 50°С) без применения принудительного охлаждения, нужно устанавливать плату с алюминиевым основанием на дополнительный теплоотвод площадью 16 - 20 см2 на каждый Вт выделяемой мощности. При этом между теплоотводом (радиатором) и кластером изготовленным по технологии с алюминиевым основанием наносятся по специальной методике теплопроводящие составы (термопасты) заполняющие зазор слоем порядка 0,05 - 0,1 мм и теплопроводностью порядка 1 - 5 W/mK. При использовании дополнительных радиаторов существует
возможность, например, увеличить ток питания кластера со
светодиодом Cree серии XR-E до 1 А, кластера со светодиодом
серии XP-E до 700 мА, кластера со светодиодом серий XP-C,
XR-C до 500 мА, что даст прирост интенсивности свечения
примерно на 70%.
Рисунок 3 Медная фольга – используется стандартная для производства
печатных плат медная фольга толщиной от 35-350 мкм. В качестве препрега может использоваться как обычная эпоксидная стеклоткань FR-4, так и специальный теплопроводящий состав (Т-preg), который обладает лучшими теплопроводными и электроизоляционными свойствами. Он представляет собой специальную химически стойкую структуру с высокой теплопроводностью толщиной 75–200 мкм, изготовленного из особого диэлектрика – смеси полимера со специальной керамикой. Полимер выбирается исходя из его диэлектрических свойств, тогда как керамический наполнитель предназначен для улучшения теплопроводности, благодаря чему материал имеет и отличные диэлектрические свойства, и очень низкое тепловое сопротивление. Например, объемное удельное сопротивление материала Bond Ply Thermal Clad IMS(Bergquist) этого слоя не менее 1014Ом•см. При толщине диэлектрика 75 мкм допустимое рабочее напряжение между слоями составляет 5,5 кВ переменного тока и более, теплопроводность - не ниже 1,3 W/mK, что вполне достаточно для большинства приложений.
Рисунок 4
В платах с металлическим основанием слой диэлектрика –
ключевой, поскольку соединяет медь с нижним, металлическим
(алюминиевым или медным) базовым, который служит радиатором
для всей печатной платы и выполняет функцию проводника тепла
от верхнего к нижнему слою - к металлическому основанию. Табл. 1
Табл. 2
В конструкции плат с металлическим основанием важную роль играет коэффициент температурного расширения (КТР) материалов подложки. Использование материалов с большим КТР при высоких температурах приводит к возникновению внутренних механических напряжений в структуре. Поэтому для высокотемпературных применений, где данный параметр критичен, используют материалы с подложкой из низкоуглеродистой стали (толщиной 1 и 2,3 мм) с малым КТР. Хотя медь обладает лучшими теплопроводными свойствами,
алюминий все-таки является самым распространенным материалом
для плат с металлическим основанием, так как он более
дешевый и, что немаловажно, легкий материал.
Табл. 3
Широкий перечень поставляемых материалов с различными характеристиками способны удовлетворить самый взыскательный вкус разработчиков и технологов радиоэлектронной аппаратуры и сулит экономический выигрыш как непосредственно на этапе производства, так и последующей эксплуатации изделий. Сами материалы отвечают требованиям коммерческих и военных стандартов и могут применяться практически в любой области: от бытовых устройств до военной техники. Например, широко используемый (из-за высокого соотношения цена/качество при производстве светодиодных кластеров) материал из теплопроводящего полимера на основе керамики с алюминиевым основанием - T111 (Totking), имеет следующие характеристики:
Табл. 4
Печатные платы на металлическом основании не ограничиваются применением для мощных светодиодов и могут так же использоваться в любом изделии, где важен теплоотвод и габариты. Применение таких плат существенно упрощает проектирование радиоэлектронных устройств, особенно с большим тепловыделением, поскольку отвод тепла перестает существенно зависеть от взаимного расположения элементов и свободной площади платы вокруг них - теплота рассеивается через подложку. В некоторых случаях (при умеренном тепловыделении) исчезает необходимость в дополнительных теплоотводах - радиаторах, шинах и т.п. В итоге возрастает степень интеграции элементов на плате, снижаются ее габариты. Несколько таких плат показаны на рис. 5.
Рисунок 5
Печатные платы с металлическим основанием имеют много преимуществ по сравнению с обычными платами:
Возможность объединения на одной печатной плате множества светодиодов, монтаж компонентов с помощью стандартных автоматизированных технологий пайки, малая теплоотдача — все это в комплексе позволяет создавать компактные высокоэффективные источники света. Использование экономичных систем освещения – одно из важнейших направлений по внедрению энергосберегающих технологий в промышленности и коммунальном хозяйстве. На сегодня, среди энергосберегающих технологий в освещении, наибольшее развитие получило создание мощных полупроводниковых светодиодов и осветительных систем на их основе. По прогнозам специалистов, внедрение новых технологий светодиодного освещения постепенно практически полностью заменит традиционные светильники во всем мире, как в свое время полупроводники вытеснили электронные лампы. Похоже, что ждать осталось недолго.
по материалам http://www.pselectro.ru/article/7/78/ подготовил А.Сорокин, февраль 2012 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:
/Неизвестный
процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Copyright © Sorokin A.D. |
|
2002 - 2020 год |