Ultrahelle Hochleistungs-LED-Leiterplatte

Ultrahelle Hochleistungs-LED-Leiterplatte

In jüngster Zeit hat das Interesse an der Schaffung von Lichtquellen auf der Basis leistungsstarker ultraheller LEDs in Verbindung mit den neuesten Errungenschaften auf dem Gebiet der LED-Beleuchtung dramatisch zugenommen. Die Lichtausbeute von Halbleiter-LED hat 100 lm / W erreicht. Diese LED mit ultrahoher Helligkeit ersetzt die herkömmliche Glühlampe und wird in fast allen Bereichen der Lichttechnik eingesetzt: Straßenlaternen, Fahrzeugbeleuchtung, Notbeleuchtung, Werbeschilder, LED-Panels, Blinker, Fahrspuren, Ampeln usw. Diese LEDs sind aufgrund ihrer Monochrom- und Schaltgeschwindigkeit ein wesentlicher Bestandteil dekorativer Beleuchtung und dynamischer Systeme geworden. Sie können auch an Orten eingesetzt werden, an denen erhebliche Energieeinsparungen erforderlich sind.

Im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen sind die Hauptvorteile leistungsstarker ultraheller LEDs:

Lange Lebensdauer (zehn- oder sogar hundertmal länger als herkömmliche Glühbirnen), sodass die Möglichkeit, brennende Glühbirnen auszutauschen, erheblich reduziert wird, was besonders für schwer zugängliche Stellen wichtig ist.
Effizienz und hoher Wirkungsgrad: Bei ähnlicher Helligkeit ist der Energieverbrauch von LED-Lampen 3-5 mal geringer als bei Halogenlampen oder Glühlampen.
Einfache Installation und Kompaktheit: Durch die Installation auf der Oberfläche und kleine LEDs können Entwickler und Designer interessante Lösungen für die Erstellung von Beleuchtungssystemen auswählen.
Eine große Auswahl für Weiß-, Farb- und RGB-LED-Schatten: Ermöglicht die Verwendung dynamischer Änderungen in Farbe und Helligkeit, um interessante Ideen für Entwickler von Beleuchtung oder dekorativer Beleuchtung zu realisieren.
The low heat radiation of LED lamps allows you to install them in places where incandescent lamps cannot be used due to high heat.
Unlike traditional incandescent lamps, LEDs do not radiate heat to the surrounding space, but conduct heat in the direction of the transition from pn to the heat sink in the LED housing (usually the output of the LED or a special metal plate). Therefore, the heat removal process is more complicated and specific. The heat dissipation path is composed of many thermal resistors: “pn junction-heat sink of the housing”, “heat sink of the housing-a printed circuit board”, “a printed circuit board-heat sink”, “heat sink-environment”. As a result, the use of high-power LEDs is associated with a high probability of an excessive increase in transition temperature, which directly affects the life, reliability, and light characteristics of the LED.

Research data shows that about 65-85% of the electrical energy is converted into heat when the LED is working. However, depending on the thermal conditions recommended by the LED manufacturer, the life of the LED can be as long as 10 years. However, if you violate the thermal specifications (usually operating at a transition temperature exceeding 120 … 125°C), the life of the LED may be shortened by 10 times! And in the case of serious failure to meet the recommended thermal conditions, for example, when the LED of the emitter type is turned on for more than 5-7 seconds without a heat sink, the LED will fail even during the first turn-on process. In addition, the increase in the transition temperature causes the brightness of the glow to decrease and the operating wavelength to shift. Moreover, the polymer used to make the LED housing cannot be heated above a certain limit because the LED components (contacts, frame, crystal, lens material) have different linear expansion coefficients and may break the contact connection. Therefore, it is very important to calculate the thermal state correctly and dissipate the heat generated by the LED as much as possible.

If the power LED used is less than 0.5 watts, then conventional LEDs that assemble PCB-level FR-4 printed circuit boards are acceptable. However, when dissipating higher power, it may be necessary to use a special printed circuit board with a metal base and a dielectric layer, the thermal conductivity of which is improved, and the thermal resistance is 0.45 to 1.5 K/W.

Die Haupthersteller von Hochleistungs-LEDs wie Cree, Osram, Nichia, Luxeon, Seoul Semiconductor, Edison Optoelectronics usw. wurden lange Zeit vereinfacht und für die Erweiterung von LED-Anwendungen in Form von LED-Modulen oder In ermöglicht die Leiterplatte und x mit Metallbasis (internationale Klassifizierung IMPCB-isolierte Metallplatine oder AL PCB-Aluminium-Leiterplatte). LED-Cluster sind handelsübliche Anschlussplatten in verschiedenen Formen (Stern, Kreis, Linear, Rechteck, Sechseck) und eine oder mehrere LED-Basen, Linse (Kollimator) können installiert werden, einfache Stromversorgung Anschluss und einfache Installation. Durch Löten an die Kontaktflächen der auf dem Leiterplatten-E-Stecker montierten Leiterplatte kann eine Cluster-Verbindung zur Stromversorgung des LED-Treibers erreicht werden.

Diese Art von Cluster wird für die Installation von nicht standardmäßigen Leuchten, Innen- und Landschaftsbeleuchtung sowie für die Erstellung dynamischer Beleuchtungsshows verwendet. Das heißt, Sie können diese Größen- und Form-LED-Cluster als Elemente der LED-Matrix anordnen, ohne die Kosten zu erhöhen Ort. Aber wenn es schwierig oder unmöglich ist, die Standardform zu erreichen - unbefriedigende Größe, LED oder Layout -, dann ist der Abstand zwischen den Designs individuell angepasst. Yvaetsya, Ihre personalisierte Design-Leiterplatte Trompete - Hightech und adaptive Beleuchtung Die beste Lösung für das System.

If necessary, the cluster based on a printed circuit board with a metal base and the LEDs mounted thereon can be installed on an additional heat sink-the last link of the heat dissipation channel. The choice of the heat sink can be an aluminum heat sink or a metal shell of the product, depending on which part of the total budget of the thermal resistance “transition-environment” was “wasted” at the previous link of the thermal path.

For LEDs with a power consumption of 1 W (assuming that natural convection is not complicated at 25°C), a board must be used and the area of ​​the aluminum base is not less than 6.5 cm 2. If the LED under the area board size corresponds roughly to a given value, when the cluster device does not require an additional heat sink, the LED is at rated operation. When working in a sealed enclosure, as well as in an environment with a higher ambient temperature, no additional cooling or additional heat sinks, or increased area board trumpets are required.

Um LED-Chips mit der empfohlenen Betriebstemperatur bereitzustellen, wird die untere Substrattrompete durch eine spezielle Kunststoffmischung aus mehreren Kühlkörpern-leitfähiger Paste oder weil sie beim Befüllen mit Wärmeleitpaste The Bumps genannt werden, in einem dem jeweiligen Typ entsprechenden Cluster angeordnet sorgen für guten Wärmekontakt und maximale Wärmeleitfähigkeit des Systems.

Wenn Sie beispielsweise andere Kühlkörper verwenden, kann der Stromversorgungsstrom des Clusters mit Cree XR-E-LED auf 1 A und der Strom des XP-E-LED-Clusters auf 700 mA, XP-C, XR erhöht werden -C Der Strom des LED-Clusters wird auf 500 mA erhöht, wodurch die Lichtstärke um ca. 70% erhöht wird.

Lassen Sie uns in die Leiterplatte E für Hochleistungs-LED-Cluster-Leiterplatten und Metallbasen verwickeln. Beispielsweise wird bei dieser Art von Platte eine Metallplatte als Basis verwendet, auf der eine oder mehrere leitende Schichten aus Kupferfolie mit mit Harz imprägnierter Glasfaser (Prepreg) verbunden werden. Diese Kartentrompete wird in Produkten im gesamten Gebiet verwendet, in denen eine hohe lokale oder verteilte Wärmebelastung besteht. Der einfachste Typ von Leiterplatten ist klein, daher sind die kostengünstigsten LEDs für eine effektive Oberflächenmontage einschichtige Leiterplatten mit Aluminiumsockeln. Im Wesentlichen ist die Leiterplatte a eine einschichtige Leiterplatte, die auf eine Aluminiumplatte geklebt ist. Die erzeugte Wärme gelangt leicht durch den Isolator.

Circuit boards of ultra-high-brightness LEDs are usually covered with black or white solder resist layers, which further increase light absorption or light reflection, respectively, which beneficially affects the temperature conditions and the design of the lamp.

Briefly consider the materials used in the circuit board and x metal base:

Copper foil-copper foil with a thickness of 35-350 microns, is the standard for the production of printed circuit boards.

Dielectric-prepreg-glass fiber impregnated with epoxy resin with a thickness of 50-150 microns. As a prepreg, it can be used as a conventional epoxy glass fiber FR-4 and a special thermally conductive composition (T-preg) with optimal thermal and electrical insulation properties. It is a special chemical-resistant structure with a high thermal conductivity of 75-200μm and is made of a special dielectric-polymer and special ceramic mixture. The polymer is selected according to the dielectric properties of the polymer, and the ceramic filler is designed to increase thermal conductivity, so the material has excellent dielectric properties and very low thermal resistance. For example, the material of this layer Bond Ply Thermal Clad IMS (Bergquist) has a volume resistivity of at least 1014 ohm•cm. When the thickness of the dielectric layer is 75 μm, the allowable operating voltage between the layers is 5.5 kV AC or higher, and the thermal conductivity is not less than 1.3 W/mK, which is sufficient for most applications.

A circuit board with a metal base dielectric layer (copper core) and x are connected to a lower metal (aluminum or copper) core. The lower metal core serves as a heat sink for the entire printed circuit board s and plays from the upper layer to the lower layer (metal base) Thermal conductivity.

The main comparative characteristics of the dielectric are given in the table.

In the design of plates with metal bases, the coefficient of thermal expansion (CTE) of the substrate material plays an important role. The use of materials with large KTP at high temperatures can cause internal mechanical stress in the structure. Therefore, for high temperature applications where this parameter is critical, materials with low KTP low carbon steel substrates (thicknesses 1 and 2.3 mm) are used.

Obwohl Kupfer die beste Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist Aluminium immer noch das am häufigsten verwendete Material für Platten mit Metallsubstraten, da Aluminium billig und vor allem leicht ist.

Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumabfallsubstrat:

Aluminium 1100 (ein Analogon von HELL) -222 W / mK
Aluminium 5052 (analog AMg2.5) -138 W / mK
Aluminium 6061 (ähnlich AD33) -167 W / mK

Heute stellen mehrere große Hersteller von thermisch und elektrisch isolierenden Materialien Grundmaterialien für die Herstellung von Leiterplatten mit Metallsubstraten her:

Bergquist (USA)
Tokin (China)
Ruikai (China)
Laird (Thermagon) (USA)
Registrierung (Japan)
Die Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften können den anspruchsvollsten Geschmack von Entwicklern und Technikern elektronischer Geräte erfüllen und werden voraussichtlich direkt bezogen wirtschaftliche Vorteile in der Produktionsphase und im anschließenden Betrieb von Produkten. Diese Materialien selbst erfüllen die Anforderungen kommerzieller und militärischer Standards und können in nahezu allen Bereichen eingesetzt werden: von Haushaltsgeräten bis hin zu militärischen Geräten.

Beispielsweise weist ein weit verbreitetes (aufgrund des hohen Preis / Masse-Verhältnisses bei der Herstellung von LED-Clustern) wärmeleitendes Polymermaterial auf der Basis von Aluminium und Keramik-T111 (Toke) die folgenden Eigenschaften auf:

Die Dicke der Aluminiumbasis-1,5 mm
Dielektrische Dicke-100 μm
Die Dicke der Kupferfolie beträgt 35 Mikrometer.
Dielektrische Wärmeleitfähigkeit -2,2 W / mK
Dielektrischer Wärmewiderstand -0,7 ° C / W
Wärmeleitfähigkeit des Aluminiumsubstrats (5052-Analog AMg2. 5) -138 W / mK Durchschlagspannung
-3 KV
(Tg) -130
Volumenwiderstand -108 MΩ × cm
Oberflächenwiderstand -106 MΩ
Maximale Arbeitsspannung (CTI) -600 V.
Die meisten Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten mit Metallsubstraten, wie Ätzen, Aufbringen von Schutzmasken, Aufbringen von Metallschutzbeschichtungen (HASL), Markieren usw., ähneln dem Verfahren zur Herstellung herkömmlicher Leiterplatten aus FR-4 Bearbeitung und Kontur.

Printed circuit board S is not limited to the use of high-power LEDs on metal substrates, and can also be used in any product, where heat is important and size. The use of such boards greatly simplifies the design of radio electronics, especially at high power, because heat dissipation is no longer strictly dependent on the relative position of the components and the surrounding free space board: heat is dissipated through the substrate. No additional radiators are needed-radiators, tires, etc. As a result, the degree of integration of components on the electronic board increases, and its size decreases.

Printed circuit board S has many advantages compared to traditional boards with metal alkali and E:

No need to use other radiators and special thermal paste to dissipate heat.
Reduce/eliminate the need for forced air cooling fans.
Increase the mechanical rigidity of the product.
They increase the integration of high-power equipment components that operate at high current and high voltage at high operating temperatures.
Reduce the thermal stress of all components, thereby increasing the life of components and product durability.
The cooling performance of such a plate makes it easier to organize heat removal, which beneficially affects the cost of the product.
Due to any configuration of the circuit board, they can greatly save equipment space.
These boards have excellent electromagnetic compatibility and shielding performance.
The use of such boards can improve the reliability of the equipment (mean time to failure).
The possibilities of combining on a single printed circuit board include: multiple LEDs, components mounted using standard automatic soldering techniques, and low heat-all of these combinations make it possible to create compact, high-performance light sources.

The use of cost-effective lighting systems is one of the most important areas for introducing energy-saving technologies in industry and public utilities. Today, among the lighting energy-saving technologies, the most advanced is the creation of powerful semiconductor LEDs and lighting systems based on them. According to experts, as semiconductors replace electronic lamps in their time, the introduction of new LED lighting technology will gradually almost completely replace traditional luminaires around the world. It seems that the waiting time is not long.