|
|
||||||||||||||||||||||||||||
Нови
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
| Светодиод CREE Xlamp MPL EasyWhite | |
 |
|
| По подробно... | |
Монтаж на светодиоди CREE на текстолитова платка FR4
Една от най-важните задачи при разработването на светодиодни осветители, е отвеждането на топлината от светодиода, която възниква в процеса на работа. Високата работна температура на p-n прехода неблагоприятно влияние върху ефективността на светодиодите, което води до намаляване на светлинния поток и срока на експлоатация. За да може правилно да се управлява тази отделена топлина, е необходимо да се придържаме към определени правила на проектиране, тьй като работата на на светодиодните осветители е коренно различна от традиционите източници на светлина.
В този материал се показва техника за проектиране на не много скъпи печатни платки, изчислени за работа с мощни светодиоди. Техниката включва използването на печатни платки от стъклотекстолит тип FR-4, които не са скъпи, но имат голяма термична устойчивост , сравнение с ПП на метална основа (MCPCB). Наличието на метализирани отвори под светодиодите, се явява способ за допълнително отвеждане на топлината през стъклотекстолита към външнен радиатор. Тази технология е достъпна при използването на светодиоди серия Xlamp на американската марка CREE, благодарение на отличителните особености на корпусите - наличието на електрически изолирана термична подложка (термопад). За някои проекти разработката на платка на основата на стъклотекстолит, с използването топлоотвеждащи отвори, може да осигури съществена икономия на разходите, да ускори процеса за изработка на прототипи, за дребно серийно и серийно производство. Тази статия може да послужи като практическо ръководство, поради факта, че се основава на основните принципи на топлотехниката, а не на догма. Инженерите на компанията CREE са написали този материал за приблизителна оценка на възможността за използването на платки от стъклотекстолит, и да препоръча на конструкторите, да използват допълнителни материали, за да оценят всички възможни параметри при практическа разработка. Инженерите на „Неон -ЕК“ ЕООД преведоха този материал на български език, за улеснението на български предприемачи. Оригиналът на английски език се намира на сайта www.cree.com.
КОРПУС НА СВЕТОДИОДА
Всички видове корпуси на светодиоди Xlamps имат електрически изолирани области за отвеждане на топлината, които могат да бъдат споени или закрепени към земния проводник на платката или на радиаторна система (Фиг. 1) .
Фиг. 1. Корпус на светодиода Xlamp
Тепло отводится от корпуса светодиода через контактные площадки и теплоотвод на печатную плату, которая должна быть смонтирована на радиаторе таким образом, чтобы отвести тепло от корпуса светодиода в окружающую среду.
В табл. 1 са дадени типичните стойности на топлинно съпротивление (от p-n прехода до точката на спояване) за различни серии на светодиоди XLamp.
Табл. 1
Температурни характеристики на печатни платки, изработени от различни материали
Стъклотекстолит тип FR-4 е един от най-често използваните материали за производство на печатни платки, но има една особеност - много ниска топлопроводимост.
Табл. 2 Параметри на ПП от тип FR-4
Използвайки параметрите за топлопроводимост от табл.2, стойността на общото топлинно съпротивление за ПП тип FR-4, може да се изчислява чрез сумиране на топлинното съпротивление за всеки един от слоевете.
θPCB = θlayer1 + θlayer2 + θlayer3 ... + θlayerN
За ПП, показано на фиг. 2, термичното съпротивление на слоя се определя по следната формула:
θlayer = l / (k x A)
където: l - дебелина, k — коефициент на топлопроводимост, А – площ на контактната площадка, която отвежда топлината. За платки от стъклотекстолит с дебелина 1.6 mm във формата на „звезда“, с площ от 270 mm2 топлинно съпротивление ще бъде около 30 º C / W .
Фиг. 2 Структура на ПП от тип FR-4
За това и всички по-нататъшни изчисления предполагаме, че се използва теоретично идеален радиатор, който поддържа температурата на най-ниския слой на платката 25 º C. Също така, следва да се има предвид, че тези изчисления не включват размера на източника на топлина, условия на конвекция и др
Сега ще изчислим аналогичното топлинното съпротивление на ПП, на метална основа (MCPCB).
Обикновена MCPCB разполага с 4 слоя: припой, слой от медно фолио, топлопроводен диелектричен слой и метална основа, както е показано на фиг. 3.
Фиг. 3. Структура на ПП на алуминиева основа (MCPCB)
Най-често в метална основа се използва алуминий, рядко се използва стомана и мед.
Табл. 3 Параметри за ПП на MCPCB
Използвайки стойностите за топлинна проводимост на слоеве на МСРСВ от табл. 3, можем да изчислим общо топлинно съпротивление на ПП „звезда“ – то възлиза на 0,2 º C / W.
Проектиране на топлинни отвори
Отдавна е известен начина за подобряване на топлопроводимостта на ПП от стъклотекстолит тип FR-4. Това се осъществява с добавяне на метални отвори (Фиг..4), които са създадени посредством фрезоване и на нанасяне на меден слой (Фиг.5). Тези отвори могат да бъдат съединени за електрическа връзка между двата медни слоя.
 |
 |
|
Фиг. 4. Топлини отвори в ПП на FR-4. |
Фиг. 5. Омеднени отвори с диаметър 0,3 мм |
Допълнителни отвори намалят топлинното съпротивление на стъклотекстолитната платка FR-4.. Топлинното съпротивление от един отвор може да се изчисли по формулата θ = l / (k x A).
Използвайки стойностите, посочени в табл. 4, можем да изчислим съпротивлението от един метален отвор Ø 0,6 mm:
(1.588 x 10-3) / (58 x ( π x (0.5 x 0.6 x 10-3)-2)) = 96.8 ºC/W.
 |
 |
|
Таблица 4. Параметри на ПП тип FR-4 с топлинен отвор. |
Фиг.6. Пример с незапълнени отвори |
При наличието на N на брой отвори на определена площ, резултатното съпротивление се изчислява по формулата: θvias = l / (Nvias x k x A).
Трябва да се има предвид, че е необходимо да се гарантира плътното прилепване на термопада към площта с метални отвори, в противен случай, съпротивлението се увеличава в резултат на неравномерно разпределение на топлинната . Може да се изчисли общия еквивалент на съпротивлението в областта на топлоодаващата област на светодиода, което включва топлинно съпротивление на диелектричните слоеве и покрития отвор. Опростено двете съпротивления се изчисляват по формулата: θvias FR-4 = [ (1/θvias) + (1/θ FR-4) ]
Сравнение на кухи отвори и отвори запълнени с припой
Кухите метални отвори отвеждат топлината само благодарение на тънкия слой мед, нанесен в процеса на метализация, и има по-високо топлинно съпротивление в сравнение с отвори който са запълнени с припой. Топлинно съпротивление на кухия отвор се изчислява, както следва:
A = π x (D x t –t-2)
където: D – диаметър на отвора, а t - дебелина на медното покритие.
За отвор с диаметър 0,6 mm. и дебелина от 35 микрона, площта на медния пръстен обхваща 0.06mm2. Ако този отвор бъде запълнен със припой , тогава площта му ще нарасне до 0.28mm2 и топлинното съпротивление ще намалее от 441 º C / W до 96,8 ° С / W, съответно. И аналогично за ПП и същия брой преходни отвори, но не пълна със спойка, както и в предишния пример, общото топлинно съотношение ще е ~ 28 º C / W.
Разбира се , увеличаване на дебелината на топлинно омеднения отвор при производство на печатни платки ще подобри топлинното съпротивление на отвора. Консултирайте се с Вашия производител на печатни платки, за да разберете каква максималната дебелина на метализация на отворите могат да осигурят.
Кухите отвори се запълват със спойката по време на запояването. Макар, че в зависимост от редица фактори, това пълнене не винаги става напълно. И да се разчита на това, че запълване ще подобри топлоотделяне, би било не съвсем не правилно.
Запълване на отворите
Фиг. 6 показва пример на некачествено запояване и образуване на кухини под запечатани светодиоди (показани в червено). Кухините увеличават топлинно съпротивление, а от друга страна, излишъкът може да стигне до препълвания на отвора, което води до неравности на ПП под топлоотделяне на светодиода и намаляване на площта от топлинен контакт.
Може да се постигне равномерно запълване на отворите със спойка при пробиване с диаметър по-малък от 0,3 mm. В този случай, силата на повърхностното напрежение на разтопена спойка в отвора е против ефектите на гравитацията, която насърчава равномерното разпределение на спойката. Недостатък на този метод е, че намаляването на диаметъра на отвора води до намаляване на областта на топлинния контакт, и следствие от това увеличаване на топлинно съпротивление на платката. При попълване спойката по време на запояване, може да се запълват отворите и с всички други топлоотделящи материали като епоксидни смоли. Но всичко това увеличава време на производство на ПП и повишава тяхната цена. Като цяло CREE се застъпва за използването на кухо покрити отвори, като по-практична и ефективна технология, в сравнение с отвори пълни със спойка.
Моделиране на топлинни характеристики
Този раздел описва резултатите от топлинни тестове в продължение на няколко конфигурации на печатни платки. Първата конфигурация (Фиг.7), ПП под формата на „звезда“ от стъклотекстолит тип FR-4 с различна ширина на топлинната платформа, с плътен слой на фолио, и без топлинен отвор. Ние проучихме ПП с дебелина от 0,8 mm. и 1,6 mm.. Резултатите са показани на диаграма 1.
Фиг. 7 Различна ширина пътя на ПП «Звезда»
Диаграма 1: Топлинно съпротивление на ПП тип FR-4 с различна ширина на пътеките
Очевидно е, че „звезда“ с дебелина 1.6 mm. увеличаване на ширината на пътеките с повече от 12 mm. е безполезно, тъй като няма да оказва вече голямо влияние на топлинното съпротивление. А на ПП с дебелина 0,8mm. е безполезен за увеличаване на ширината на пътечките от 16 mm. Инженерите на CREE проведоха подробен анализ на „звездата“ на алуминий MCPCB. Оказа се, че на този материал няма смисъл да му се увеличава ширината на пътечките повече от 6 mm.
Добавяне на топлинни отвори
Диаграма 2 илюстрира зависимостта на промените в топлинната проводимост на диаметър и брой на отворите. В този експеримент, всички отвори бяха запълнени със спойка SnAgCu.. Както се очакваше, колкото по-голям е диаметъра, толкова по-ниска е топлинната устойчивост.
Диаграма 2: FR-4 PCB с различни конфигурации на диаметър и отвори
В следващия случай се изследва влиянието на количества на топлинните отвори, както е показано на Фиг.8. Тези омеднени отвори с диаметър 0.254 mm. разположени на разстояние на 0,635 mm. един от друг . Резултатите след експеримента са показани на диаграма 3, и показват също така, че увеличаването на броя на отворите над 14 няма да доведе до значително намаляване на топлинното съпротивление. Очевидно това се дължи на факта, че 14 отвора е максимална плътност на площта, разположен под топло отделяща област на светодиода.
 |
 |
|
Фиг. 8: ПП на FR-4 с различни количества топлинни отвори (2, 6, 8, 14, 58 и 102) |
Диаграма 4: топлинни съпротивления FR-4 PCB с 14 отвора и с различна ширина на пътеките |
Комбинация от увеличение на повърхността и увеличение на отворите
В този експеримент се изследваха варианти на изпълнение на ПП с 14 отвора с диаметър 0,25mm. С различни ширини на медни пътеки, както е показано на Фиг.. 9. Долния слой на фолиото не е продупчен. Данните в таблица 6, показват, че увеличаването на пътеките повече от 6mm.. няма да доведе до подобряване на топлинно съпротивление на ПП.
 |
 |
|
Фиг.9. ПП на FR-4 с 14 топлинни отвора и с различна ширина на пътеките(3,3, 4,0, 6,0, 10,0, 14,0, 20,0 мм) |
Диаграмма 4 - тепловое сопротивление FR-4 PCB с 14 отверстиями и различной шириной дорожек |
Изяснено беше също, че промяната на ширината на долните пътеки има незначителен ефект върху цялостното топлинно съпротивление.
Резултати от топлинно моделиране
-
Резултатите от топлинно моделиране показва, че за постигането на възможно най-ниска устойчивост на топлина за ПП на FR-4 е необходимо да се използва стъклотекстолит с дебелина на диелектрика 0,8 mm..
-
При вземането на решение за броя на топлинни отвори, за да се намали топлинното съпротивление, е необходимо да се има в предвид разходите за тяхното производство. Отворите с голям диаметър могат да останат незапълнени по време на запояване, което ще доведе до промяна на изчислени топлинни характеристики. Омеднените отвори с малък диаметър се явяват най-доброто решение.
-
И накрая, методи за увеличаване на броя на топлинните отвори и увеличаване ширината на токопроходими пътеки в един момент престават да влияят върху намаляването на топлинно съпротивление. Въз основа на тези констатации, инженери на CREE предлагат оптималния вариант на ПП във формата на „звезда“ от стъклотекстолита с проверени размери на пътеките и на отворите, което е резултат на компромис между изискванията за разсейване на топлината и лекота на производствената технология,
Измерване на температурата. Проверка
Тъй като температурата на p-n прехода засяга всички основни параметри на светодиода, CREE препоръчва да се провери топлинния режим в условия, максимално близки до реалните условия на бъдещите устройства.
В този раздел са практическите резултати от измервания на топлинния режим на светодиода, проведени с помощта на термодвойка.. Тези резултати потвърждават теоретични заключенията от по-горе.
На Фиг.10 е показана термодвойка тип К, разположени върху горната част на меден проводник в непосредствена близост до радиатора на светодиода. Маската (ако има такава) трябва да бъдат отстранена, за да може термодвйката да е непосредствено прилепнала върху медта. Ако използваме по-голям брой светодиоди, тогава разполагаме термодвойката при светодиод, намиращ се максимално близо до най-тежките температурни условия. Втората термодвойка hs1 се намира на предната повърхност на радиатора, в пряка близост до ПП със светодиод.
Фиг. 10: Разположение на термопарата.
Третата термодвойка hs2 е разположена към задната част на радиатора. Четвъртата термодвойка се използва за оценка на околната среда (въздух) – тя не е показана на тази фигура..
В експеримента се измерваха два еднакви комплекта, един час след загряване при нормален топлинен режим. За изчисляване на действителното топлинно съпротивление между радиатора и околната среда трябва да се раздели разликата между Ths and Ta. Прогнозна стойност на съпротивлението в този експеримент е бил 14,7 º C / Вт.
Като правило, температурата на p-n прехода не може да се измери директно, но тази стойност може да бъде изчислена от температурата, измерена на изходите на светодиода, или в най- близката точка до извода на медна пътека.
Табл. 5 показва резултати от проведени тестове на два комплекта светодиоди XLamp XP-C, споени на радиатор тип „звезда“.
Табл. 5: измерване на температурата на ПП
Първият комплект - от три светодиода монтирани на ПП с дебелина 1.6mm. от стъклотестолит тип FR-4 с 5 отвора (Фиг. 11) и втори комплект - три светодиода на ПП с дебелина 1.6mm. на алуминиева основа „звезда“ бяха залепени на радиатор с лепило Chomerics THERMATTACH® T411 . Измеренията са извършени при ток 350mA и при температура на околната среда (Ta) 20 градуса по Целзий.
Фиг.11: «Звезда» с 5 отвора
За основа са взети формули:
P = If * Vf
Tj = Tc + θjc x P
θca = (Tc – Ta) / P
θpcb = θca - θhs-a
Виждаме, че резултатите са доста близки до тези, прогнозирани в диаграма 3 (топлинно съпротивление от около 3,5 º C / W за MCPCB) и диаграма 2 (топлинно съпротивление от около 9 º C / W за ПП на FR-4 с дебелина 1,6 mm.. и с пет отвора с диаметър 0,7mm. запълнени със припой).
Препоръчителни методи за проектиране на печатни платки
Инженери на CREE препоръчват пробиване на дупки с диаметър 0,254 mm, разположени върху правоъгълна решетка с разстояние между центровете на 0,635 mm. Те предполагат, че тази технология ще комбинира разумен компромис между производителност и технологичност. Тези отвори задължително трябва да са омеднени. Може да се предположи, че такава технология ще позволи намаляване на топлинно съпротивление до до 4 º C / W при използване на ПП базирани на стъклотекстолит с дебелина от 0.8mm. тип FR-4.
За светодиоди серия MX-6 и XP инженери на CREE са разработили набор от GERBER-файлове за производство на радиатори тип „звезда“ на стъклотекстолит тип FR-4. Тези файлове свободно могат да бъдат изтеглени от сайта на CREE www.cree.com.
Надяваме се, че този материал ще помогне на българските конструктори и инженери в успешното прилагане на светодиоди CREE. Инженерите на „Неон-ЕК“ ЕООД са винаги готови да предоставят на своите партньори и клиенти необходимите технически документации.
|
||||||
2001-2012"НЕОН-ЭК"