Circuit imprimé LED ultra-lumineux haute puissance

Circuit imprimé LED ultra-lumineux haute puissance

Récemment, combiné aux dernières réalisations dans le domaine de l'éclairage LED, l'intérêt pour la création de sources lumineuses basées sur de puissantes LED ultra-lumineuses s'est considérablement accru. L'efficacité lumineuse des LED semi-conductrices a atteint 100lm / W. Cette LED ultra-haute luminosité remplace la lampe à incandescence traditionnelle et est utilisée dans presque tous les domaines de la technologie d'éclairage: lampadaires, éclairage automobile, éclairage de sécurité, panneaux publicitaires, panneaux LED, clignotants, voies de circulation, feux de signalisation, etc. font désormais partie intégrante de l'éclairage décoratif et des systèmes dynamiques en raison de leur monochrome et de leur vitesse de commutation. Ils peuvent également être utilisés dans des endroits où des économies d'énergie substantielles sont nécessaires,

Par rapport aux sources lumineuses traditionnelles, les principaux avantages des puissantes LED ultra-lumineuses sont:

Longue durée de vie (des dizaines de fois, voire des centaines de fois plus longue que les ampoules à incandescence traditionnelles), de sorte que la possibilité de remplacer les ampoules allumées est considérablement réduite, ce qui est particulièrement important pour les endroits difficiles à atteindre;
Efficacité et rendement élevé: sous une luminosité similaire, la consommation d'énergie des lampes à LED est 3 à 5 fois inférieure à celle des lampes halogènes ou des lampes à incandescence;
Facile à installer et compact: l'installation en surface et les LED de petite taille permettent aux développeurs et aux concepteurs de choisir des solutions intéressantes pour créer des systèmes d'éclairage;
Une large gamme de choix pour les ombres LED blanches, couleur et RVB: vous permet d'utiliser des changements dynamiques de couleur et de luminosité pour réaliser des idées intéressantes pour les développeurs d'éclairage ou d'éclairage décoratif;
Le faible rayonnement thermique des lampes LED vous permet de les installer dans des endroits où les lampes à incandescence ne peuvent pas être utilisées en raison de la chaleur élevée.
Contrairement aux lampes à incandescence traditionnelles, les LED ne rayonnent pas de chaleur vers l'espace environnant, mais conduisent la chaleur dans le sens de la transition de pn au dissipateur de chaleur dans le boîtier LED (généralement la sortie de la LED ou une plaque métallique spéciale). Par conséquent, le processus d'élimination de la chaleur est plus compliqué et spécifique. Le chemin de dissipation thermique est composé de nombreuses résistances thermiques: «jonction pn-dissipateur thermique du boîtier», «dissipateur thermique du boîtier-un circuit imprimé», «un circuit imprimé-dissipateur thermique», «dissipateur thermique-environnement ». En conséquence, l'utilisation de LED haute puissance est associée à une forte probabilité d'une augmentation excessive de la température de transition, ce qui affecte directement la durée de vie, la fiabilité et les caractéristiques d'éclairage de la LED.

Les données de recherche montrent qu'environ 65 à 85% de l'énergie électrique est convertie en chaleur lorsque la LED fonctionne. Cependant, selon les conditions thermiques recommandées par le fabricant de LED, la durée de vie de la LED peut aller jusqu'à 10 ans. Cependant, si vous enfreignez les spécifications thermiques (fonctionnant généralement à une température de transition supérieure à 120… 125 ° C), la durée de vie de la LED peut être raccourcie de 10 fois! Et en cas de non-respect sérieux des conditions thermiques recommandées, par exemple, lorsque la LED du type émetteur est allumée pendant plus de 5 à 7 secondes sans dissipateur thermique, la LED échouera même lors de la première mise sous tension processus. De plus, l'augmentation de la température de transition entraîne une diminution de la luminosité de la lueur et un décalage de la longueur d'onde de fonctionnement. De plus, le polymère utilisé pour fabriquer le boîtier LED ne peut pas être chauffé au-dessus d'une certaine limite car les composants LED (contacts, cadre, cristal, matériau de la lentille) ont des coefficients de dilatation linéaire différents et peuvent rompre la connexion de contact. Par conséquent, il est très important de calculer correctement l'état thermique et de dissiper autant que possible la chaleur générée par la LED.

Si la LED d'alimentation utilisée est inférieure à 0,5 watts, les LED conventionnelles qui assemblent des cartes de circuits imprimés FR-4 au niveau PCB sont acceptables. Cependant, lors de la dissipation d'une puissance plus élevée, il peut être nécessaire d'utiliser une carte de circuit imprimé spéciale avec une base métallique et une couche diélectrique, dont la conductivité thermique est améliorée et la résistance thermique est de 0,45 à 1,5 K / W.

Les principaux fabricants de LED haute puissance, tels que Cree, Osram, Nichia, Luxeon, Seoul Semiconductor, Edison Optoelectronics, etc., ont longtemps été simplifiés et activés pour l'expansion des applications LED, sous la forme de modules LED, ou In la carte de circuit imprimé en grappe et x avec base en métal (carte de circuit imprimé métallique isolée IMPCB de classification internationale, ou carte de circuit imprimé AL PCB-aluminium). Les grappes de LED sont des plaques de connexion standard de différentes formes (étoile, circulaire, linéaire, rectangulaire, hexagonale) et une ou plusieurs bases de LED, une lentille (collimateur) peut être installée, une connexion d'alimentation simple et une installation facile. En soudant les plages de contact de la carte de circuit imprimé s montées sur le connecteur de la carte de circuit imprimé e, une connexion de cluster pour alimenter le pilote de LED peut être obtenue. Ces clusters contiennent parfois à la fois des résistances de limitation et le pilote d'alimentation lui-même, de sorte qu'ils peuvent être directement connectés à des alimentations basse tension.

Ce type de cluster est utilisé pour l'installation de luminaires non standard, l'éclairage intérieur et paysager, et la création de spectacles d'éclairage dynamique - c'est-à-dire que vous pouvez organiser ces groupes de LED de taille et de forme comme des éléments de la matrice LED sans augmenter les coûts Et endroit. Mais si la forme standard est difficile ou impossible à faire - taille, LED ou mise en page insatisfaisante, alors l'espacement entre les conceptions est personnalisé yvaetsya, votre carte de circuit imprimé de conception personnalisée trompette haute technologie et éclairage adaptatif La meilleure solution pour le système.

Si nécessaire, le cluster basé sur une carte de circuit imprimé avec une base métallique et les LED montées dessus peuvent être installés sur un dissipateur thermique supplémentaire - le dernier maillon du canal de dissipation thermique. Le choix du dissipateur thermique peut être un dissipateur thermique en aluminium ou une coque métallique du produit, selon la partie du budget total de la résistance thermique «transition-environnement» qui a été «gaspillée» au maillon précédent du chemin thermique.

Pour les LED d'une consommation d'énergie de 1 W (en supposant que la convection naturelle n'est pas compliquée à 25 ° C), une carte doit être utilisée et la surface de la base en aluminium n'est pas inférieure à 6,5 cm 2. Si la LED sous le la taille de la carte de zone correspond à peu près à une valeur donnée, lorsque le périphérique de cluster ne nécessite pas de dissipateur de chaleur supplémentaire, la LED est en fonctionnement nominal. Lorsque vous travaillez dans une enceinte scellée, ainsi que dans un environnement avec une température ambiante plus élevée, aucun refroidissement supplémentaire ou dissipateurs de chaleur supplémentaires, ni trompettes de carte de surface augmentées ne sont nécessaires.

Afin de fournir des puces LED à la température de fonctionnement recommandée, la trompette du substrat inférieur est placée dans un cluster correspondant au type applicable à travers un mélange plastique spécial de plusieurs dissipateurs thermiques-pâte conductrice ou parce qu'ils sont appelés lorsqu'ils sont remplis de graisse thermique Les bosses assurent un bon contact thermique et une conductivité thermique maximale du système.

Lors de l'utilisation d'autres dissipateurs de chaleur, par exemple, le courant d'alimentation du cluster avec Cree XR-E LED peut être augmenté à 1 A, le courant du cluster XP-E LED peut être augmenté à 700 mA, XP-C, XR -C Le courant du cluster LED est augmenté à 500 mA, ce qui augmentera l'intensité lumineuse d'environ 70%.

Entourons-nous de la carte de circuit imprimé E pour les clusters de LED haute puissance, les cartes de circuits imprimés et les bases métalliques. Par exemple, dans ce type de carte, une plaque métallique est utilisée comme base, sur laquelle une ou plusieurs couches conductrices de feuille de cuivre se lient avec de la fibre de verre imprégnée de résine (préimprégné). Cette trompette à carte est utilisée dans les produits de toute la zone où la charge thermique locale ou distribuée est élevée. Le type le plus simple de carte de circuit imprimé est petit, de sorte que les LED les plus rentables pour un montage en surface efficace sont des cartes de circuit imprimé monocouche et avec des bases en aluminium. En substance, la carte de circuit imprimé a est une carte de circuit imprimé monocouche collée sur une carte en aluminium. La chaleur générée passe facilement à travers l'isolant, puis se dissipe rapidement à travers le dissipateur de chaleur solidement fixé en aluminium formé comme partie de la carte de circuit imprimé s.

Les circuits imprimés de LED à très haute luminosité sont généralement recouverts de couches de résist de soudure noires ou blanches, qui augmentent encore davantage l'absorption de la lumière ou la réflexion de la lumière, respectivement, ce qui affecte avantageusement les conditions de température et la conception de la lampe.

Considérez brièvement les matériaux utilisés dans le circuit imprimé et la base métallique x:

Une feuille de cuivre-feuille de cuivre d'une épaisseur de 35 à 350 microns est la norme pour la production de cartes de circuits imprimés.

Fibre de verre diélectrique préimprégnée imprégnée de résine époxy d'une épaisseur de 50 à 150 microns. En tant que préimprégné, il peut être utilisé comme fibre de verre époxy classique FR-4 et une composition spéciale thermoconductrice (T-preg) avec des propriétés d'isolation thermique et électrique optimales. Il s'agit d'une structure spéciale résistante aux produits chimiques avec une conductivité thermique élevée de 75-200 μm et composée d'un mélange diélectrique-polymère spécial et d'un mélange céramique spécial. Le polymère est sélectionné en fonction des propriétés diélectriques du polymère et la charge céramique est conçue pour augmenter la conductivité thermique, de sorte que le matériau présente d'excellentes propriétés diélectriques et une très faible résistance thermique. Par exemple, le matériau de cette couche Bond Ply Thermal Clad IMS (Bergquist) a une résistivité volumique d'au moins 1014 ohm • cm. Lorsque l'épaisseur de la couche diélectrique est de 75 μm, la tension de fonctionnement admissible entre les couches est de 5,5 kV AC ou plus, et la conductivité thermique n'est pas inférieure à 1,3 W / mK, ce qui est suffisant pour la plupart des applications.

Une carte de circuit imprimé avec une couche diélectrique à base métallique (noyau en cuivre) et x sont connectés à un noyau métallique inférieur (aluminium ou cuivre). Le noyau métallique inférieur sert de dissipateur thermique pour toute la carte de circuit imprimé s et joue de la couche supérieure à la couche inférieure (base métallique) de la conductivité thermique.

Les principales caractéristiques comparatives du diélectrique sont données dans le tableau.

Dans la conception de plaques à base métallique, le coefficient de dilatation thermique (CTE) du matériau du substrat joue un rôle important. L'utilisation de matériaux avec un KTP important à des températures élevées peut provoquer des contraintes mécaniques internes dans la structure. Par conséquent, pour les applications à haute température où ce paramètre est critique, des matériaux avec des substrats en acier à faible KTP à faible teneur en carbone (épaisseurs 1 et 2,3 mm) sont utilisés.

Bien que le cuivre ait la meilleure conductivité thermique, l'aluminium est toujours le matériau le plus couramment utilisé pour les plaques avec des substrats métalliques, car l'aluminium est bon marché et surtout léger.

Conductivité thermique du substrat en aluminium usé:

Aluminium 1100 (un analogue de HELL) -222 W / mK
Aluminium 5052 (AMg2.5 analogique) -138 W / mK
Aluminium 6061 (similaire à AD33) -167 W / mK

Aujourd'hui, plusieurs grands fabricants de matériaux isolants thermiquement et électriquement produisent des matériaux de base pour la fabrication de circuits imprimés avec des substrats métalliques:

Bergquist (États-Unis)
Tokin (Chine)
Ruikai (Chine)
Laird (Thermagon) (États-Unis)
Enregistrement (Japon)
Les matériaux fournis avec des caractéristiques différentes peuvent répondre aux goûts les plus exigeants des développeurs et des techniciens d'appareils électroniques, et sont censés obtenir directement avantages économiques dans la phase de production et les opérations ultérieures des produits. Ces matériaux eux-mêmes répondent aux exigences des normes commerciales et militaires et peuvent être utilisés dans presque tous les domaines: des appareils électroménagers aux équipements militaires.

Par exemple, un matériau polymère conducteur thermique largement utilisé (en raison du rapport prix / masse élevé dans la production de grappes de LED) à base d'aluminium et de céramique-T111 (Toke) présente les caractéristiques suivantes:

L'épaisseur de la base en aluminium-1,5 mm
Épaisseur diélectrique-100μm
L'épaisseur de la feuille de cuivre est de 35 microns
Conductivité thermique diélectrique -2,2 W / mK
Résistance thermique diélectrique -0,7 ° C / W
Conductivité thermique du substrat en aluminium (5052-Analog AMg2. 5) -138 W / mK
Tension de claquage-3 KV
Température de transition vitreuse (Tg) -130
Résistance de volume -108 MΩ × cm
Résistance de surface -106 MΩ
Tension de fonctionnement maximale (CTI) -600 V
La plupart des procédés de fabrication de cartes de circuits imprimés avec des substrats métalliques, tels comme la gravure, l'application de masques de protection, l'application de revêtements métalliques protecteurs (HASL), le marquage, etc., sont similaires au processus de fabrication de circuits imprimés traditionnels à partir de FR-4, seulement différents par l'usinage et le contour.

La carte de circuit imprimé S n'est pas limitée à l'utilisation de LED haute puissance sur des substrats métalliques, et peut également être utilisée dans n'importe quel produit, où la chaleur est importante et encombrante. L'utilisation de telles cartes simplifie grandement la conception de l'électronique radio, notamment à haute puissance, car la dissipation thermique ne dépend plus strictement de la position relative des composants et de la carte d'espace libre environnante: la chaleur est dissipée à travers le substrat. Aucun radiateur supplémentaire n'est nécessaire - radiateurs, pneus, etc. En conséquence, le degré d'intégration des composants sur la carte électronique augmente et sa taille diminue.

La carte de circuit imprimé S présente de nombreux avantages par rapport aux cartes traditionnelles avec alcali métallique et E:

Pas besoin d'utiliser d'autres radiateurs et une pâte thermique spéciale pour dissiper la chaleur.
Réduisez / éliminez le besoin de ventilateurs de refroidissement à air forcé.
Augmente la rigidité mécanique du produit.
Ils augmentent l'intégration de composants d'équipements haute puissance qui fonctionnent à haute intensité et haute tension à des températures de fonctionnement élevées.
Réduisez la contrainte thermique de tous les composants, augmentant ainsi la durée de vie des composants et la durabilité du produit.
Les performances de refroidissement d'une telle plaque facilitent l'organisation de l'évacuation de la chaleur, ce qui affecte avantageusement le coût du produit.
En raison de toute configuration de la carte de circuit imprimé, ils peuvent considérablement économiser de l'espace pour l'équipement.
Ces cartes ont une excellente compatibilité électromagnétique et des performances de blindage.
L'utilisation de telles cartes peut améliorer la fiabilité de l'équipement (temps moyen de défaillance).
Les possibilités de combinaison sur une seule carte de circuit imprimé incluent: plusieurs LED, des composants montés à l'aide de techniques de soudage automatique standard et une chaleur faible - toutes ces combinaisons permettent de créer des sources lumineuses compactes et performantes.

L'utilisation de systèmes d'éclairage rentables est l'un des domaines les plus importants pour l'introduction de technologies d'économie d'énergie dans l'industrie et les services publics. Aujourd'hui, parmi les technologies d'éclairage à économie d'énergie, la plus avancée est la création de LED à semi-conducteurs puissantes et de systèmes d'éclairage basés sur celles-ci. Selon les experts, alors que les semi-conducteurs remplacent les lampes électroniques en leur temps, l'introduction de la nouvelle technologie d'éclairage LED remplacera progressivement presque complètement les luminaires traditionnels dans le monde entier. Il semble que le temps d'attente ne soit pas long.