Руководство по применению алюминиевых светодиодных печатных плат

Специально разработанная алюминиевая печатная плата для светодиодов, предназначенная для автомобильных задних фонарей, и плата для фитоламп, предназначенная для выращивания растений, имеют одинаковую базовую структуру — медная печатная плата на диэлектрике на алюминиевой основе — и практически ничего больше. Плотность мощности, интенсивность термических циклов, профиль вибрации, воздействие влаги, нормативные требования и стоимость замены — все это различается в зависимости от области применения. В этой статье рассматриваются решения по спецификации алюминиевых печатных плат для светодиодов, принимаемые исходя из условий конечного использования, а не из общих «лучших практик».

Автомобильные светодиодные печатные платы: термостойкость, вибрация и функциональная безопасность.

Навигация по статьям

1. Автомобильные светодиодные печатные платы: термостойкость, вибрация и функциональная безопасность.
2. Платы для садовых светодиодов: удельная мощность и тепловая нагрузка в полном спектре.
3. Светодиодные линейки для морского и наружного применения: коррозия и воздействие окружающей среды.
4. Медицинское и хирургическое освещение: биосовместимость и стерилизация
5. Промышленное освещение для высоких потолков: расчет на высокие токи и интеграция шин.
6. Подбор марки алюминия и диэлектрических свойств в соответствии с конкретным применением.
7. FAQ

В автомобильной светодиодной технике применяются фары головного света, задние фонари, подсветка салона и подсветка приборной панели. Условия эксплуатации, как в тепловом, так и в механическом плане, предъявляют исключительно высокие требования:

Термоциклирование : Автомобильные светодиодные платы подвергаются циклическим нагрузкам от −40°C до +125°C и выше в моторном отсеке. Стандартные полимерно-композитные диэлектрики испытывают напряжение из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения при таких экстремальных температурах. В автомобильных светодиодных печатных платах, изготовленных на заказ, используются диэлектрические марки с более высокой температурой стеклования (Tg > 150°C) и более низким коэффициентом теплового расширения, что подтверждено испытаниями на термоудар в соответствии со стандартами AEC-Q200 или JEDEC JESD22-A104.

Вибрация : Дорожная вибрация создает механическое напряжение в диапазоне 5–2000 Гц. Отказы паяных соединений на алюминиевых светодиодных печатных платах в условиях вибрации в основном вызваны усталостью материала. Технические характеристики включают: покрытие ENIG (не HASL, которое создает неплоские паяные соединения), больший зазор между контактной площадкой и корпусом светодиодов, а в некоторых случаях – заливку сборки после оплавления.

IATF 16949 и PPAP : В автомобильной промышленности для производства и утверждения производственных компонентов (PPAP) требуется документация, соответствующая стандарту IATF 16949. Это включает в себя отчеты о размерах, исследования возможностей (Cpk для толщины диэлектрика, толщины меди) и анализ видов и последствий отказов (FMEA) процесса. Компания Highleap Electronics поддерживает документацию уровня PPAP для клиентов, работающих в автомобильной отрасли и использующих светодиоды.

Совместное использование источника тока : В автомобильных светодиодных цепочках часто используется общий источник тока с управлением яркостью с помощью встроенного программного обеспечения. Для таких применений на алюминиевых светодиодных печатных платах требуется трассировка дорожек, которая изолирует цепочки тока, чтобы предотвратить тепловое перекрестное воздействие, вызывающее неравномерное восприятие яркости.

Платы для садовых светодиодов: удельная мощность и тепловая нагрузка в полном спектре.

Светодиодные фитолампы представляют собой область применения с самой высокой плотностью мощности в непрерывном режиме для алюминиевых светодиодных печатных плат в серийном производстве. Типичный фитолампа мощностью 720 Вт потребляет 9–12 Вт/см² на площади светодиодной матрицы, без охлаждения в режиме ожидания. Требования к печатной плате на заказ:

Выбор диэлектрика : стандартным для растениеводства является диэлектрик с плотностью 2.0–3.0 Вт/м·К. При плотности 3.0 Вт/м·К температура перехода светодиода мощностью 10 Вт может быть на 12–18 °C ниже, чем при плотности 1.0 Вт/м·К в идентичных условиях, что увеличивает срок службы L70 с ~30 000 до 50 000+ часов.

Белая паяльная маска : В садоводческих светодиодных массивах используются красные, синие, дальнекрасные и белые светодиоды. Белая паяльная маска отражает фотоны, не попавшие в основной оптический элемент, обратно в растительность, восстанавливая 4–7% от общего фотонного излучения без каких-либо изменений в электрическом режиме.

Толщина меди : Для полноспектральных светодиодных матриц, потребляющих 3–8 А на цепочку, требуется минимум 2 унции меди. Для светильников мощностью более 600 Вт медные дорожки толщиной 3 унции предотвращают увеличение тепловой нагрузки светодиодов из-за резистивного нагрева и ухудшение равномерности PAR по всей матрице.

Размеры панелей : Платы для растениеводства часто имеют полную ширину монтажного приспособления — обычно это 250 × 500 мм или 200 × 600 мм. Перед окончательным утверждением размеров платы необходимо уточнить возможности завода по производству алюминиевых панелей. Компания Highleap Electronics поддерживает производство печатных плат большого формата на алюминиевых подложках.

Светодиодные линейки для морского и наружного применения: коррозия и воздействие окружающей среды.

Светодиодные платы, используемые в морских, наружных и прибрежных условиях, постоянно подвергаются воздействию влажности, солевых брызг и ультрафиолетового излучения. Само алюминиевое основание обладает достаточной коррозионной стойкостью, но без обработки уязвимыми остаются края и поверхности монтажных отверстий.

Выбор алюминиевого сплава : 5052 вместо 1050 для любых морских или наружных применений. Содержание магния в сплаве 5052 обеспечивает значительно лучшую стойкость к коррозии в соленой воде, что важно в местах контакта кромок доски или нижней поверхности с соленой влагой.

Защитное покрытие : После сборки светодиода защитное покрытие (акриловое, силиконовое или полиуретановое) предохраняет медные дорожки, паяные соединения и корпуса компонентов от попадания влаги. Само алюминиевое основание не покрывается покрытием — оно выполняет функцию радиатора и должно контактировать с корпусом светильника. Проектирование печатной платы для нанесения защитного покрытия требует полного покрытия паяльной маской до краев платы и четкой маркировки зон, исключающих покрытие, вокруг тепловых площадок.

Обязательное использование покрытия ENIG : для наружных и морских плат, собираемых сезонно или хранящихся во влажных складских помещениях, нельзя использовать OSP (которое разрушается во влажном состоянии) или HASL (поверхностное окисление которого начинается через несколько месяцев после производства). Золотое покрытие ENIG обеспечивает надежную пайку и срок хранения более 12 месяцев даже при высокой влажности.

Вопросы, касающиеся степени защиты IP : Печатная плата не является элементом, имеющим степень защиты IP — ею является корпус светильника, — но конструкция светодиодной платы определяет, насколько легко корпус может соответствовать требованиям IP65 или IP67. Платы с разъемами и выходами проводов в негерметичных местах создают риск проникновения влаги на уровне конструкции корпуса. При разработке алюминиевых светодиодных печатных плат для наружного применения следует учитывать конструкцию корпуса на ранних этапах.

Медицинское и хирургическое освещение: биосовместимость и стерилизация

Бестеневые хирургические светильники, кольца для подсветки эндоскопов, стоматологические полимеризационные лампы и панели для фототерапии позволяют разместить светодиодную панель в клинических условиях или рядом с ними. Индивидуальные требования:

Биосовместимость материалов : диэлектрик и паяльная маска должны быть свободны от веществ, запрещенных в соответствии со стандартом ISO 10993 или аналогичным. Стандартные коммерческие марки диэлектриков могут содержать антипирены, которые не запрещены для применения на печатных платах, но не проверялись на биосовместимость. Для любой платы, используемой в медицинских изделиях, запросите у производителя полную декларацию материалов.

Совместимость со стерилизацией : если корпус светильника подвергается автоклавированию (пар, 121°C, 30 мин), алюминиевая светодиодная печатная плата должна выдерживать многократные циклы стерилизации без усталости паяных соединений или расслоения диэлектрика. Испытания на устойчивость к автоклавированию не являются стандартными в производстве печатных плат — они должны быть указаны и проверены в рамках валидации медицинских изделий. Компания Highleap Electronics поддерживает программы квалификации сборки медицинских печатных плат .

Цветопередача и спектральный контроль : для медицинского освещения требуется Ra ≥ 90 (общее освещение) или определенные спектральные пики для визуализации тканей. Выбор и группировка светодиодов — смешивание цветовых групп светодиодов на одной плате — требуют индивидуальной компоновки контактных площадок и управления теплоотводом для каждого типа светодиодов при его рабочем токе.

Промышленное освещение для высоких потолков: расчет на высокие токи и интеграция шин.

Промышленные светильники для высоких потолков (150–600 Вт) доводят алюминиевые светодиодные печатные платы до предела их токовой нагрузки. Стандартные медные дорожки толщиной 1 унция не могут выдерживать ток 10–20 А в таких светильниках без неприемлемого резистивного нагрева.

Конструкция шин : В алюминиевых печатных платах для светодиодов, предназначенных для размещения в высоких потолках, используются шины из меди толщиной 3 унции или встроенные шины — толстые медные сегменты, проложенные в качестве силовых линий, отделенных от сигнальных дорожек. Для проектирования шин требуется тепловое моделирование, чтобы подтвердить, что повышение температуры дорожек от резистивного нагрева учтено в температурном бюджете перехода светодиода.

Многорядная светодиодная схема : В больших светильниках используется несколько параллельно соединенных светодиодных цепочек для балансировки тока и резервирования. Разработка печатной платы должна обеспечивать одинаковую длину цепочек для согласования прямого напряжения при рабочей температуре, а также изоляцию между цепочками, достаточную для соответствия спецификациям драйвера по синфазному напряжению.

Тепловое моделирование перед компоновкой : Для применений в помещениях с высокими потолками тепловое моделирование MCPCB перед окончательной компоновкой позволяет выявить зоны перегрева, определяемые концентрацией тока и скоплениями светодиодов, до начала изготовления платы. Входные данные моделирования включают мощность светодиодов при рабочем токе, сопротивление дорожек, определяемое весом и геометрией меди, температуру диэлектрика (Tc) и температуру окружающей среды.

Подбор марки алюминия и диэлектрических свойств в соответствии с конкретным применением.

FAQ

Какая диэлектрическая теплопроводность необходима для светодиода мощностью 10 Вт? При мощности 10 Вт на кристалл в стандартном корпусе 3535 или 5050 диэлектрическая теплопроводность 2.0 Вт/м·К при толщине 100 мкм обеспечивает диэлектрическое тепловое сопротивление приблизительно 0.5–0.8 °C/Вт. Повышение температуры перехода только за счет диэлектрика при мощности 10 Вт составляет 5–8 °C. Для более жестких температурных диапазонов следует использовать значение 3.0 Вт/м·К.

Можно ли использовать одну и ту же конструкцию алюминиевой светодиодной печатной платы как для внутреннего, так и для наружного применения? Не всегда. Для наружного применения требуется алюминиевый сплав 5052, покрытие ENIG, совместимая с конформным покрытием паяльная маска и обработка краев. Внутренние конструкции, использующие сплав 1050, покрытие OSP и не имеющие обработки краев, в условиях наружного применения выйдут из строя.

Требуется ли сертификация AEC-Q200 для проектирования автомобильных светодиодных печатных плат? Стандарт AEC-Q200 применяется к пассивным компонентам, а не к самой подложке печатной платы. Однако автомобильные заказчики обычно требуют, чтобы печатная плата выдерживала те же температурные циклы и вибрационные воздействия, которые определены стандартом AEC-Q200 для пассивных компонентов, что подтверждается испытаниями на системном уровне.

Как проектирование дорожек для сильноточных систем влияет на разводку алюминиевых печатных плат для светодиодов? При толщине меди 3 унции (76 г/м²) дорожка шириной 3 мм пропускает примерно 8–10 А с повышением температуры на 10 °C выше температуры окружающей среды. Для цепей с током 15–20 А ширина дорожек должна быть увеличена до 5–8 мм или необходимо использовать медные шины (>4 унции). Такая ширина значительно ограничивает плотность размещения светодиодов и требует тщательного рассмотрения на ранних этапах проектирования печатных плат для светодиодов.