高出力の超高輝度LEDプリント回路基板

高出力の超高輝度LEDプリント回路基板

最近、LED照明の分野での最新の成果と相まって、強力な超高輝度LEDに基づく光源の作成への関心が劇的に高まっています。 半導体LEDの発光効率は100lm / Wに達しました。 この超高輝度LEDは、従来の白熱灯に代わるものであり、街灯、自動車照明、非常灯、広告看板、LEDパネル、インジケーター、車線、交通灯など、照明技術のほぼすべての分野で使用されています。モノクロとスイッチング速度により、装飾照明とダイナミックシステムの不可欠な部分になっています。 また、大幅な省エネが必要な場所でも使用できます。

従来の光源と比較して、強力な超高輝度LEDの主な利点は次のとおりです。

長い耐用年数（従来の白熱電球の数十倍または数百倍）であるため、燃えている電球を交換する可能性が大幅に減少します。これは、手の届きにくい場所で特に重要です。
効率と高効率：同様の明るさの下で、LEDランプのエネルギー消費量はハロゲンランプや白熱灯の3〜5分の1です。
設置が簡単でコンパクト：表面実装設置と小型LEDにより、開発者と設計者は興味深いソリューションを選択して照明システムを作成できます。
白、カラー、RGB LEDシャドウの幅広い選択肢：色と明るさの動的な変化を使用して、照明または装飾照明の開発者にとって興味深いアイデアを実現できます。
LEDランプは熱放射が少ないため、高熱で白熱灯が使用できない場所に設置できます。
従来の白熱灯とは異なり、LEDは周囲の空間に熱を放射しませんが、pnからLEDハウジングのヒートシンク（通常はLEDの出力または特殊な金属板）への遷移方向に熱を伝導します。 したがって、熱除去プロセスはより複雑で具体的です。 放熱経路は、「pn接合-ハウジングのヒートシンク」、「ハウジングのヒートシンク-プリント回路基板」、「プリント回路基板-ヒートシンク」、「ヒートシンク-環境」など、多くの熱抵抗で構成されています。 」。 その結果、高出力LEDを使用すると、転移温度が過度に上昇する可能性が高くなり、LEDの寿命、信頼性、および光特性に直接影響します。

研究データによると、LEDが機能しているとき、電気エネルギーの約65〜85％が熱に変換されます。 ただし、LEDメーカーが推奨する熱条件によっては、LEDの寿命が10年にもなる場合があります。 ただし、熱仕様（通常、120〜125°Cを超える転移温度で動作）に違反すると、LEDの寿命が10分の1に短くなる可能性があります。 また、推奨される熱条件を満たさない重大な障害が発生した場合、たとえば、エミッタタイプのLEDがヒートシンクなしで5〜7秒以上オンになると、最初のオンでもLEDが故障します。処理する。 さらに、転移温度の上昇により、グローの輝度が低下し、動作波長がシフトします。 さらに、LEDハウジングの製造に使用されるポリマーは、LEDコンポーネント（接点、フレーム、クリスタル、レンズ材料）の線膨張係数が異なり、接点接続が切断される可能性があるため、特定の制限を超えて加熱することはできません。 したがって、熱状態を正しく計算し、LEDによって生成された熱を可能な限り放散することが非常に重要です。

使用する電源LEDが0.5ワット未満の場合は、PCBレベルのFR-4プリント回路基板を組み立てる従来のLEDを使用できます。 ただし、より高い電力を消費する場合は、金属ベースと誘電体層を備えた、熱伝導率が改善され、熱抵抗が0.45〜1.5 K / Wの特殊なプリント回路基板を使用する必要がある場合があります。

Cree、Osram、Nichia、Luxeon、Seoul Semiconductor、Edison Optoelectronicsなどの高出力LEDの主要メーカーは、長い間簡素化され、LEDモジュールの形でLEDアプリケーションの拡張を可能にしてきました。プリントクラスター回路基板と金属ベースのx（国際分類IMPCB-絶縁金属プリント回路基板、またはAL PCB-アルミニウムプリント回路基板）。 LEDクラスターは、さまざまな形状（星型、円形、線形、長方形、六角形）の既製のコネクタープレートであり、1つ以上のLEDベース、レンズ（コリメーター）を取り付けることができ、簡単な電源接続と簡単な取り付けが可能です。 回路基板eコネクタに取り付けられた回路基板の接点パッドにはんだ付けすることにより、LEDドライバに電力を供給するためのクラスタ接続を実現できます。 このようなクラスターには、制限抵抗とパワードライバー自体の両方が含まれている場合があるため、低電圧電源に直接接続できます。

このタイプのクラスターは、非標準の照明器具の設置、屋内および景観照明、動的照明ショーの作成に使用されます。つまり、コストを増やすことなく、これらのサイズと形状のLEDクラスターをLEDマトリックスの要素として配置できます。場所。 しかし、標準のフォームを実行するのが困難または不可能な場合（サイズ、LED、またはレイアウトが不十分な場合）、デザイン間の間隔はカスタマイズされたyvaetsya、パーソナライズされたデザインのプリント回路基板トランペット-ハイテクで適応性のある照明システムに最適なソリューションです。

必要に応じて、金属ベースとLEDが取り付けられたプリント回路基板に基づくクラスターを、熱放散チャネルの最後のリンクである追加のヒートシンクに取り付けることができます。 ヒートシンクの選択は、熱抵抗「遷移環境」の総予算のどの部分が熱経路の前のリンクで「浪費」されたかに応じて、製品のアルミニウムヒートシンクまたは金属シェルにすることができます。

消費電力が1WのLEDの場合（25°Cで自然対流が複雑でないことを前提としています）、ボードを使用する必要があり、アルミニウムベースの面積は6.5cm以上です2。エリアボードのサイズはおおよそ所定の値に対応します。クラスターデバイスが追加のヒートシンクを必要としない場合、LEDは定格動作です。 密閉されたエンクロージャーで作業する場合、および周囲温度が高い環境で作業する場合、追加の冷却やヒートシンク、または面積の大きいボードトランペットは必要ありません。

推奨動作温度でLEDチップを提供するために、下部基板トランペットは、複数のヒートシンクの特殊なプラスチック混合物（導電性ペースト）を介して、またはサーマルグリースを充填すると呼び出されるため、該当するタイプに対応するクラスターに設定されます。システムの良好な熱接触と最大の熱伝導率を提供します。

たとえば、他のヒートシンクを使用する場合、Cree XR-ELEDを備えたクラスターの電源電流を1Aに増やすことができ、XP-ELEDクラスターの電流を700mA、XP-C、XRに増やすことができます。 -CLEDクラスターの電流が500mAに増加すると、光度が約70％増加します。

高出力LEDクラスター用のプリント回路基板E（プリント回路基板と金属ベース）に巻き込まれてみましょう。 たとえば、このタイプのボードでは、金属板がベースとして使用され、その上に銅箔の1つまたは複数の導電層が樹脂（プリプレグ）を含浸させたガラス繊維と結合します。 このカードトランペットは、局所的または分散的な熱負荷が高い地域全体の製品に使用されています。 最も単純なタイプのプリント回路基板は小さいので、効果的な表面実装のための最も費用効果の高いLEDは、プリントされた単層回路基板とアルミニウムベースです。 本質的に、回路基板ａは、アルミニウム板に接着された単層プリント回路基板である。 発生した熱は絶縁体を容易に通過し、プリント回路基板の一部として形成されたアルミニウムでしっかりと取り付けられたヒートシンクを介してすばやく放散されます。

超高輝度LEDの回路基板は通常、黒または白のソルダーレジスト層で覆われており、それぞれ光吸収または光反射をさらに増加させ、温度条件とランプの設計に有益な影響を与えます。

回路基板とx金属ベースに使用されている材料について簡単に検討してください。

銅箔-厚さ35〜350ミクロンの銅箔は、プリント回路基板の製造の標準です。

厚さ50〜150ミクロンのエポキシ樹脂を含浸させた誘電体プリプレグガラス繊維。 プリプレグとして、従来のエポキシガラス繊維FR-4および最適な熱および電気絶縁特性を備えた特殊な熱伝導性組成物（T-preg）として使用できます。 これは、75〜200μmの高い熱伝導率を備えた特殊な耐薬品性構造であり、特殊な誘電体ポリマーと特殊なセラミックの混合物でできています。 ポリマーはポリマーの誘電特性に応じて選択され、セラミックフィラーは熱伝導率を高めるように設計されているため、材料は優れた誘電特性と非常に低い熱抵抗を備えています。 たとえば、この層のボンドプライサーマルクラッドIMS（Bergquist）の材料は、少なくとも1014オーム•cmの体積抵抗率を持っています。 誘電体層の厚さが75μmの場合、層間の許容動作電圧は5.5 kV AC以上であり、熱伝導率は1.3 W / mK以上であり、ほとんどのアプリケーションで十分です。

金属ベースの誘電体層（銅コア）とxを備えた回路基板は、下部の金属（アルミニウムまたは銅）コアに接続されています。 下部の金属コアは、プリント回路基板全体のヒートシンクとして機能し、上層から下層（金属ベース）まで熱伝導率を発揮します。

誘電体の主な比較特性を表に示します。

金属ベースのプレートの設計では、基板材料の熱膨張係数（CTE）が重要な役割を果たします。 高温でKTPが大きい材料を使用すると、構造に内部の機械的応力が発生する可能性があります。 したがって、このパラメータが重要な高温アプリケーションでは、低KTP低炭素鋼基板（厚さ1および2.3 mm）の材料が使用されます。

銅は最高の熱伝導率を持っていますが、アルミニウムは安価で重要なことに軽量であるため、金属基板を備えたプレートに最も一般的に使用されている材料です。

廃アルミニウム基板の熱伝導率：

アルミニウム1100（HELLのアナログ）-222 W / mK
アルミニウム5052（アナログAMg2.5）-138 W / mK
アルミニウム6061（AD33と同様）-167 W / mK

今日、熱的および電気的絶縁材料のいくつかの大手メーカーは、金属基板を備えたプリント回路基板を製造するための基本的な材料を製造しています。

Bergquist（米国
）
Tokin
Laird（サーマゴン）（米国）
登録（日本）
異なる特性を備えた材料は、電子機器の開発者や技術者の最も要求の厳しい好みに対応でき、直接入手することが期待されています。製品の製造段階とその後の運用における経済的利益。 これらの材料自体は、商業および軍用規格の要件を満たし、家電製品から軍事機器まで、ほぼすべての分野で使用できます。

たとえば、広く使用されている（LEDクラスターの製造における価格/質量比が高いため）アルミニウムとセラミックをベースにした熱伝導性ポリマー材料-T111（Toke）には次の特性があります。

アルミニウムベースの
厚さ-1.5mm誘電体の厚さ-100μm
銅箔の厚さは35ミクロンです。
誘電体の熱伝導率-2.2W / mK
誘電体の熱抵抗-0.7°C / W
アルミニウム基板（5052-アナログAMg2）の熱伝導率。 5）-138 W / mK
破壊電圧
ガラス遷移温度（Tg）-130
体積抵抗-108MΩ×cm
表面抵抗-106MΩ
最大動作電圧（CTI）-600V
金属基板を使用したプリント回路基板の製造プロセスのほとんどエッチング、保護マスクの適用、保護金属コーティング（HASL）の適用、マーキングなどは、FR-4から従来の回路基板を製造するプロセスと似ていますが、機械加工と輪郭のみが異なります。

プリント回路基板Sは、金属基板上での高出力LEDの使用に限定されず、熱が重要でサイズが重要なあらゆる製品で使用できます。 このようなボードを使用すると、特に高出力での無線電子機器の設計が大幅に簡素化されます。これは、熱放散がコンポーネントと周囲の自由空間ボードの相対位置に厳密に依存しなくなったためです。 追加のラジエーター（ラジエーター、タイヤなど）は必要ありません。その結果、電子ボード上のコンポーネントの統合度が高まり、そのサイズが小さくなります。

プリント回路基板Sには、金属アルカリとEを使用した従来の基板と比較して多くの利点があります。

熱を放散するために他のラジエーターや特別なサーマルペーストを使用する必要はありません。
強制空冷ファンの必要性を減らす/排除します。
製品の機械的剛性を高めます。
これらは、高電流および高電圧で高動作温度で動作する高電力機器コンポーネントの統合を促進します。
すべてのコンポーネントの熱応力を低減し、それによってコンポーネントの寿命と製品の耐久性を向上させます。
このようなプレートの冷却性能により、熱除去の整理が容易になり、製品のコストにメリットがあります。
回路基板の構成により、機器のスペースを大幅に節約できます。
これらのボードは、優れた電磁両立性とシールド性能を備えています。
このようなボードを使用すると、機器の信頼性（平均故障間隔）を向上させることができます。
単一のプリント回路基板に組み合わせる可能性には、複数のLED、標準の自動はんだ付け技術を使用して取り付けられたコンポーネント、および低熱が含まれます。これらすべての組み合わせにより、コンパクトで高性能な光源を作成できます。

費用効果の高い照明システムの使用は、産業や公益事業に省エネ技術を導入するための最も重要な分野の1つです。 今日、照明の省エネ技術の中で最も進んでいるのは、強力な半導体LEDとそれに基づく照明システムの作成です。 専門家によると、半導体が当時の電子ランプに取って代わるにつれて、新しいLED照明技術の導入は、世界中の従来の照明器具に徐々にほぼ完全に取って代わるでしょう。 待ち時間は長くないようです。