การจัดการความร้อนใน PCBs: ขยายอายุการใช้งานของแสง LED

ไฟ LED ได้ปฏิวัติการประหยัดพลังงาน แต่ผลงานและความยาวนานของมัน ขึ้นอยู่กับปัจจัยสําคัญหนึ่ง คือการจัดการความร้อนไลด์เปลี่ยนพลังงาน 80% เป็นแสง แต่ 20% ที่เหลือยังสร้างความร้อนเพียงพอที่จะทําลายส่วนประกอบการเพิ่มอุณหภูมิสาน LED 10 องศาเซลเซียส สามารถลดอายุการใช้งานได้ 50% ทําให้แผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ที่มีการจัดการความร้อนอย่างแข็งแรง ไม่เพียงแต่เป็นลักษณะ แต่เป็นความจําเป็นนี่คือวิธีการออกแบบ PCB และวัสดุที่ปรับปรุงให้แน่ใจว่าแสง LED ใช้งานได้นาน 50,000+ ชั่วโมง แม้แต่ในการใช้งานที่มีความเครียดสูง เช่น เครื่องประดับอุตสาหกรรมหรือไฟฟ้ากลางแจ้ง

ข้อสําคัญ

• อุณหภูมิการเชื่อมต่อ LED ต้องอยู่ในระดับต่ํากว่า 125 °C; ความร้อนเกินจะทําให้แสงสว่างเสื่อมลงและส่วนประกอบล้มเหลว
• PCB หัวโลหะ (MCPCB) และแผ่น laminates ความร้อนสูง dissipate ความร้อน 3 5 ครั้งรวดเร็วกว่าบอร์ด FR-4 แบบดั้งเดิม
• การออกแบบ PCB ที่เหมาะสม รวมถึงความกว้างของรอย, ความหนาของทองแดง และการบูรณาการระบายความร้อน
• มาตรฐานอุตสาหกรรมเช่น IPC-2221 และ LM-80 นําแนวทางการจัดการความร้อนที่ดีที่สุดเพื่อผลงาน LED ที่น่าเชื่อถือ

ทําไมความร้อนถึงฆ่าไฟ LED: วิทยาศาสตร์ของความเครียดทางความร้อน

ไลด์ทํางานโดยการผ่านกระแสผ่านเซมีคอนดักเตอร์ กระบวนการที่ผลิตความร้อนที่จุดเชื่อม (จุดเชื่อมระหว่างชั้น) ความร้อนนี้ต้องหลบหนีเร็ว:

a.ในอุณหภูมิการเชื่อม 85 °C ไลด์มักจะใช้งาน 50,000 ชั่วโมง
b ณ 105 องศาเซลเซียส อายุการใช้งานลดลงถึง 25,000 ชั่วโมง
c.ที่ 125 องศาเซลเซียส มันลดลงเหลือเพียง 10,000 ชั่วโมง

ความร้อนยังทําลายองค์ประกอบอื่น ๆ: สายเชื่อมผสมแตก, เครื่องประกอบแห้ง และเลนส์แสงเหลืองการจัดการความร้อนที่ไม่ดี ทําให้ LED ราคา 10 ปี กลายเป็น LED ราคา 2 ปี.

PCBs ควบคุมความร้อน LED ได้อย่างไร: การออกแบบและวิธีแก้ไขวัตถุ
PCB ปฏิบัติหน้าที่เป็นตัวนําความร้อนหลักในไฟฟ้า LED โดยนําความร้อนจากจุดเชื่อม LED ไปยังระบายความร้อนหรือสิ่งแวดล้อมการเลือกวัสดุและการออกแบบที่ดีที่สุด.

1. การเปรียบเทียบวัสดุ PCB: ประเด็นความสามารถในการนําความร้อน
ไม่ใช ผ าน PCB ท หมดเป นเส ยเท่าเทียมในเรื่องของการระบายความร้อนตารางด้านล างเป นการเปร ยบเท ยบว ธ ภ ณฑ ท ค ณม น:

หมายเหตุ: ความสามารถในการนําความร้อนวัดว่าวัสดุจะถ่ายทอดความร้อนได้ดีแค่ไหน ราคาที่สูงขึ้นหมายถึงการระบายความร้อนที่เร็วขึ้น
แผ่นพีซีบีแกรนอลูมิเนียม (MCPCBs) เป็นจุดดีสําหรับ LED ที่มีพลังงานสูงมากที่สุด โดยให้การปรับปรุงในการถ่ายทอดความร้อนถึง 300% เมื่อเทียบกับ FR-4 โดยไม่เสียค่าใช้จ่ายของแกรนทองแดงไฟโฟลด์ LED 100W ที่ใช้ MCPCB รักษาอุณหภูมิการเชื่อมต่อ 75 °Cขณะที่การออกแบบแบบเดียวกันบน FR-4 ต่ําถึง 110 °C

2. เทคนิคการออกแบบเพื่อเพิ่มการระบายความร้อน
แม้จะมีวัสดุที่เหมาะสม การออกแบบ PCB ที่ไม่ดี ก็สามารถจับความร้อนได้
a.ความหนาของทองแดง: ทองแดงที่หนากว่า (2 oz vs 1 oz) เพิ่มการไหลของความร้อนถึง 50% ชั้นทองแดง 2 oz (70μm) ทําหน้าที่เหมือนทางหลวงความร้อน,
b.Trace Layout: เส้นรอยที่กว้างและสั้นลดความต้านทานทางความร้อน สําหรับ LED 50W เส้นรอยควรมีความกว้างอย่างน้อย 3 มม เพื่อหลีกเลี่ยงจุดร้อน
ช่องทางความร้อน: ช่องทางที่เคลือบ (0.3 ช่องทางความกว้าง 0.5 มม) เชื่อมต่อแผ่น LED กับชั้นล่างของ PCB หน้าที่เป็นท่อความร้อน ช่องทาง 3 × 3 ช่องทางภายใต้ LED สามารถลดอุณหภูมิได้ 15 °C
d.การบูรณาการระบายความร้อน: การเชื่อมต่อ PCB โดยตรงกับระบายความร้อนจากอลูมิเนียม (ใช้อัดความร้อนหรือสับสนที่มีความสามารถในการนําไฟ 0.5W / m · K) เพิ่มเส้นทางที่สองสําหรับการหลบหนีความร้อน
จากการศึกษาของศูนย์วิจัยแสง พบว่า การปรับออกแบบเหล่านี้รวมกัน สามารถขยายอายุการใช้งานของ LED จาก 30,000 ถึง 60,000 ชั่วโมงในไฟล่างพาณิชย์

การจัดการความร้อนในการใช้งาน LED รายละเอียด
สภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันต้องการการแก้ไขที่ปรับปรุงตามความต้องการ นี่คือวิธีการปรับปรุง PCB สําหรับกรณีการใช้งานหลัก

การส่องแสงภายนอก (แสงสว่างถนน, ไฟโฟร์)
a.LED นอกเผชิญกับอุณหภูมิ (-40 °C ถึง 60 °C) และความชื้นสูง
b. ใช้ MCPCBs อลูมิเนียมที่มีชั้น dielectric ขนาดหนา (100μm) เพื่อทนต่อความชื้น
c.เพิ่มระบายความร้อนปีกที่ด้านหลัง PCB หลักสําหรับ 150W + ติดตั้ง
ตัวอย่าง: โคมไฟถนนที่ใช้สเปคเหล่านี้ยังคงการออกแสง 90% หลังจาก 5 ปี เมื่อเทียบกับ 50% สําหรับการออกแบบที่ใช้ FR-4

ไฟฟ้ารถยนต์ (ไฟหน้า, ไฟหลัง)
การสั่นสะเทือนและความร้อนภายใต้หมวก (สูงสุด 125 °C) ต้องการการออกแบบที่แข็งแกร่ง
a. PCB ที่มีแกนทองแดงสามารถรับความร้อนสูงได้ ความแข็งแรงของ PCB สามารถทนต่อความเสียหายจากการสั่นสะเทือนได้
b. ใช้ช่องทางความร้อน ใกล้ระบบ LED เพื่อป้องกันจุดร้อนในห้องไฟหน้าที่แน่น
c.ความสอดคล้อง: ตอบสนอง AEC-Q102 (มาตรฐานส่วนประกอบ LED) และ IPC-2221 สําหรับการออกแบบ PCB

ไฟฟ้าภายใน (สํานักงาน, ร้านค้าปลีก)
ความจํากัดของพื้นที่และวัฏจักรการหมอบ ต้องการประสิทธิภาพที่คอมแพคต์
a. MCPCBs อลูมิเนียมบางเข้ากับอุปกรณ์ติดตั้งที่ระดับไม่สูง; 1 oz ทองแดงสมดุลความร้อนและต้นทุน
b.การออกแบบเพื่อการติดตั้งระบายความร้อนได้ง่าย (ตัวอย่างเช่น หลุมติดตั้งที่เจาะไว้ก่อน)
c.ผลประโยชน์: ค่ารักษาที่ต่ํากว่า 40% ในโซ่ค้าปลีก เนื่องจากมีการเปลี่ยนน้อยลง

การทดสอบและการรับรอง: การรับประกันผลประกอบการทางความร้อน
ไม่ต้องพึ่งพาการจําลอง ผ่านการทดสอบในโลกจริง
a.การถ่ายภาพทางความร้อน: กล้อง FLIR ระบุจุดร้อน (เป้าหมาย: < 10 °C มากกว่าบริเวณรอบ ๆ ริม PCB)
b.LM-80 การทดสอบ: มาตรฐานอุตสาหกรรมนี้วัดความเสื่อมของหลุมแสงมากกว่า 6,000 ชั่วโมงที่ 85 °C และ 105 °C, รับรองความสอดคล้องกับความต้องการ Energy Star.
c. การคํานวณความต้านทานทางความร้อน (Rθ): เป้าหมาย Rθ < 5 °C / W (การต่อตัวกันกับสภาพแวดล้อม) สําหรับ LED พลังงานสูง สําหรับ LED 100W นี้จะรักษาอุณหภูมิการต่อตัวกันต่ํากว่า 85 °C (25 °C สภาพแวดล้อม + 100W x 5 °C / W)

สอบถาม
Q: ความหนาของ PCB มีผลต่อการจัดการทางความร้อนอย่างไร?
ตอบ: PCB ขนาดหนากว่า (1.6 มม. เทียบกับ 0.8 มม.) ให้วัสดุมากกว่าสําหรับการแพร่กระจายความร้อน แต่วัสดุแกนสําคัญมากกว่า MCPCB อลูมิเนียม 1.6 มม.
คําถาม: PCBs ที่ยืดหยุ่นสามารถรับความร้อน LED ได้หรือไม่?
ตอบ: ใช่ แต่เพียงสําหรับไฟ LED พลังงานต่ํา (< 10W) PCB โพลีไมด์ยืดหยุ่นที่มีทองแดง 1 oz ทํางานในการส่องแสงแผ่น แต่หลีกเลี่ยงมันในการใช้งานความร้อนสูง2W/m·K) ต่ํากว่า MCPCB ที่แข็งแรง.
Q: ผลกระทบในค่าใช้จ่ายของการปรับปรุง MCPCBs คืออะไร?
ตอบ: MCPCBs อลูมิเนียมเพิ่ม ~ 20% ในราคา PCB แต่ลดค่าใช้จ่ายการครอบครองโดยรวม 50% ผ่านอายุการใช้งานที่ยาวนานและการเปลี่ยนน้อยลง

สรุป
การบริหารความร้อนใน PCBs ไม่ใช่ความคิดที่ผ่านมา มันเป็นกระดูกสันหลังของแสง LED ที่น่าเชื่อถือ โดยการเลือกวัสดุที่ถูกต้อง (MCPCBs อลูมิเนียมสําหรับการใช้งานส่วนใหญ่) การปรับปรุงการออกแบบ (ทางทางความร้อนทองแดงหนา), และยืนยันผลงาน, คุณสามารถรับประกันว่า LEDs จะบรรลุศักยภาพเต็ม 50,000+ ชั่วโมง สําหรับผู้ผลิตและข้อดีในการแข่งขันใน LED ma ที่เติบโตอย่างรวดเร็ว