PCB con retro in alluminio: aumento della potenza e delle prestazioni dei LED

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I diodi emettitori di luce (LED) hanno rivoluzionato l'illuminazione grazie alla loro efficienza energetica e alla loro lunga durata, ma le loro prestazioni dipendono da un fattore fondamentale: la gestione del calore.I LED convertono solo il 20-30% dell'energia in luce, il resto in calore.Senza una dissipazione efficace, questo calore si accumula, riducendo la luminosità, spostando la temperatura del colore e riducendo la durata del 50% o più.gli eroi sconosciuti dei sistemi LED ad alte prestazioniProgettati per estrarre il calore dai chip LED e disperderlo in modo efficiente, questi PCB specializzati consentono prodotti LED più luminosi, più affidabili e più duraturi.Questa guida esplora come i PCB supportati dall'alluminio migliorano le prestazioni dei LED, le loro sfumature di progettazione e perché sono diventate indispensabili nell'illuminazione moderna.

Principali insegnamenti
1I PCB con supporto in alluminio riducono le temperature di giunzione del LED di 20-40 °C rispetto ai PCB FR4 standard, estendendo la durata del LED da 30.000 a 50.000+ ore.
2Essi consentono densità di potenza più elevate del 30~50% negli apparecchi a LED, consentendo un'uscita più luminosa (ad esempio, 150lm/W contro 100lm/W con FR4).
3La conduttività termica dei PCB con supporto in alluminio (1 5 W/m·K) supera la FR4 standard (0,2 0,3 W/m·K) di 5 25 volte, critico per i LED ad alta potenza (10 W+).
4.Fattori di progettazione come lo spessore dello strato dielettrico, il peso del rame e le dimensioni del nucleo di alluminio hanno un impatto diretto sulle prestazioni termiche.

Che cosa sono i PCB con supporto in alluminio per i LED?
Aluminum-backed PCBs (also called aluminum core PCBs or MCPCBs for metal core printed circuit boards) are specialized substrates where a thin layer of thermally conductive dielectric material bonds a copper circuit layer to a thick aluminum baseA differenza dei PCB standard FR4, che agiscono come isolanti termici, i PCB supportati dall'alluminio funzionano sia come conduttori elettrici che come dissipatori di calore.

Struttura dello strato
a.Core di alluminio: strato più spessa (0,8 ∼3,0 mm), realizzata in lega di alluminio (in genere 1050 o 6061) scelta per la sua conduttività termica (180 ∼200 W/m·K) e la sua economicità.
b. strato dielettrico termico:Strato di epossidi o siliconi con elevata conduttività termica (1 5 W/m·K) riempito di ceramica di 50 ‰ 200 μm che isola elettricamente il rame dall'alluminio durante il trasferimento di calore.
c. Strato di circuito in rame: tracce di rame da 1 ̊3oz (35 ̊105 μm) che collegano LED e componenti, con rame più spesso (2 ̊3 oz) utilizzato per percorsi ad alta corrente in apparecchiature ad alta potenza.

Come i PCB con supporto in alluminio migliorano le prestazioni dei LED
Anche piccoli aumenti della temperatura di giunzione (Tj) degradano le prestazioni:
a. Diminuzione della luminosità del ~ 2% per aumento di °C.
b. Cambiamenti di temperatura del colore (ad esempio, LED bianchi freddi che diventano blu).
c. La durata della vita diminuisce in modo esponenziale (per l'equazione di Arrhenius, un aumento di 10°C Tj dimezza la durata).
I PCB supportati dall'alluminio risolvono questo problema creando un percorso termico diretto dal chip LED al nucleo in alluminio, mitigando questi problemi.

1Temperature di giunzione inferiore
a.Lavoro di trasferimento di calore: quando un LED funziona, il calore scorre dal chip attraverso il pad di saldatura allo strato di rame, attraverso il dielettrico e nel nucleo di alluminio, che si diffonde e dissipa.
b.Impatto sul mondo reale: un LED da 10 W su un PCB a supporto di alluminio raggiunge un Tj di 65 °C, rispetto a 95 °C su FR4 standard, estendendo la durata da 30.000 a 60.000 ore.

2Densità di potenza superiore.
a.I PCB con supporto in alluminio consentono di imballare più LED o chip di potenza superiore nello stesso spazio.
Un PCB di 100 mm × 100 mm con supporto in alluminio può alimentare sedici LED da 5 W (totalmente 80 W) senza surriscaldamento.
Il PCB FR4 della stessa dimensione è limitato a otto LED da 5 W (40 W in totale) per evitare guasti termici.

3. Consistente uscita luminosa
Temperature stabili impediscono fluttuazioni di luminosità e cambi di colore.Uno studio condotto dal Dipartimento dell'Energia ha rilevato che gli apparecchi a LED che utilizzano PCB supportati da alluminio mantengono il 90% della luminosità iniziale dopo 5 anni.,000 ore, rispetto al 70% per le apparecchiature a base di FR4.

4. Riduzione dei costi del sistema
Integrando il dissipatore di calore nel PCB, i progetti supportati dall'alluminio eliminano la necessità di dissipatori di calore separati, riducendo i costi di materiale e montaggio del 15-30%.una lampada a LED da 100 W con un supporto PCB in alluminio costa (5 ¢) 10 meno di una progettazione FR4 con dissipatore di calore aggiunto.

PCB a supporto di alluminio contro FR4 nelle applicazioni a LED
Il divario di prestazioni tra i PCB con supporto in alluminio e i PCB FR4 nei sistemi LED è evidente:

Considerazioni di progettazione per i PCB a LED con supporto in alluminio
L'ottimizzazione dei PCB a supporto di alluminio per i LED richiede un equilibrio tra prestazioni termiche, requisiti elettrici e costi:
1Selezione dello strato dielettrico
Lo strato dielettrico è il ponte tra rame e alluminio, le sue proprietà influenzano direttamente il trasferimento di calore:
   a. Conduttività termica:Per i LED ad alta potenza è sufficiente e più economico 1 W/m·K.
   b. Spessore:I dielettrici più sottili (50-100 μm) trasferiscono meglio il calore ma riducono l'isolamento elettrico.
  c. tensione nominale:Assicurarsi che il dielettrico soddisfi o superi la tensione del sistema LED (ad esempio, 2 kV per le apparecchiature a corrente alternata da 120 V).

2. Disegno dello strato di rame
  a.Peso:Utilizzare 2 ′′ 3 oz di rame per percorsi ad alta corrente (ad esempio, array LED che disegnano 5A +).
   b. Larghezza della traccia:Le tracce di potenza del LED devono essere larghe ≥ 0,5 mm per una corrente di 1 A per ridurre al minimo il riscaldamento resistivo.
  c. Dimensione del pad:Le compresse termiche a LED (se presenti) devono corrispondere alle dimensioni delle compresse a PCB (in genere 2 ̊5 mm2) per massimizzare il trasferimento di calore dal LED al rame.

3Specificativi del nucleo di alluminio
  a. Spessore:I nuclei più spessi (2,0×3,0 mm) dissipano meglio il calore per i LED ad alta potenza (50W+).
  b.Area di superficie:I nuclei di alluminio più grandi (o quelli con pinne) migliorano il raffreddamento passivo.
  c.Tipo di lega:L'alluminio 6061 (180 W/m·K) offre una migliore conducibilità termica rispetto al 1050 (200 W/m·K), ma è leggermente più costoso.

4. Posizionamento LED e Routing
  a.Intervalli pari:LED spaziali ≥ 5 mm di distanza tra loro per evitare che gli hotspot si sovrappongano.
  b.Vias termici:Aggiungere dei vias (0,3 ∼0,5 mm) sotto i grandi pacchetti a LED per trasferire il calore dallo strato di rame al nucleo in alluminio, riducendo Tj di 5 ∼10 °C.
  c.Evitare le trappole di calore:Tracciate i percorsi lontano dai pannelli LED per evitare di bloccare il flusso di calore verso il nucleo in alluminio.

Applicazioni: dove splendono i PCB a supporto di alluminio
I PCB con supporto in alluminio sono essenziali nei sistemi a LED in cui le prestazioni e l'affidabilità contano di più:
1Illuminazione commerciale e industriale
Lampade ad alta potenza: le apparecchiature da 100 a 300 W nei magazzini e nelle fabbriche si basano su PCB supportati da alluminio per gestire più LED da 10 W.
Luci stradali: gli apparecchi esterni esposti a temperature estreme utilizzano nuclei di alluminio per mantenere le prestazioni in ambienti da -40 ° C a 60 ° C.

2. Illuminazione automobilistica
Faretti a LED: 20 ‰ 50 W per proiettore, con PCB supportati da alluminio che garantiscono l'affidabilità sotto il cofano (100 °C + temperature).
Illuminazione interna: anche le piccole luci a cupola utilizzano sottili PCB con supporto in alluminio per prevenire il surriscaldamento negli spazi chiusi.

3. Illuminazione specializzata
Lampade per la coltivazione: i sistemi da 200 ‰ 1000 W con matrici LED dense richiedono una massima dissipazione del calore per mantenere spettri luminosi costanti per la crescita delle piante.
Illuminazione di palcoscenico: le teste mobile ad alta potenza (50 ‰ 200 W) utilizzano PCB supportati da alluminio per gestire cicli rapidi di accensione / spegnimento senza stress termico.

4. elettronica di consumo
Strisce a LED: le strisce ad alta densità (120 LED/m) utilizzano sottili PCB supportati da alluminio per evitare il surriscaldamento in spazi ristretti (ad esempio, sotto gli armadi).
Lanterne: Le lanterne compatte ad alto lumen (1000+ lm) si basano su nuclei di alluminio per raffreddare i LED da 5 ̊10W in piccoli alloggiamenti.

Prova e convalida per PCB a LED
Per garantire che un PCB con supporto in alluminio funzioni come previsto, sono necessarie prove specializzate:
1. Resistenza termica (Rth)
a. Misura l'efficacia del flusso di calore dalla giunzione del LED al nucleo in alluminio.
b.Metodo di prova: utilizzare una telecamera termica per misurare le differenze di temperatura tra il pad LED e il nucleo in alluminio a corrente costante.

2. Temperatura di giunzione (Tj)
a.Verificare che la Tj rimanga al di sotto del valore massimo dei LED (in genere 125°C per i LED commerciali).
b.Metodo di prova: utilizzare una termocoppia attaccata al pannello termico del LED o dedurre Tj dai cambi di tensione in avanti (per scheda di dati LED).

3. Simulazione della durata
a.ciclo termico accelerato (da -40°C a 85°C) per oltre 1000 cicli per testare la delaminazione tra strati, una modalità di guasto comune nei PCB mal fabbricati.

4Stabilità della luce
a.Mantenimento del lumen della traccia (L70) per oltre 1.000 ore di funzionamento. I PCB con supporto in alluminio dovrebbero mantenere ≥95% della luminosità iniziale, rispetto all'80~85% per i FR4.

Miti e idee sbagliate comuni
Mito: tutti i PCB con supporto in alluminio hanno lo stesso funzionamento.
Fatto: il materiale dielettrico e lo spessore, il peso del rame e la qualità dell'alluminio creano differenze significative.mentre una versione da 5 W/m·K ha prestazioni 10 volte migliori.

Mito: i PCB con supporto in alluminio sono troppo costosi per i prodotti di consumo.
Fatto: per i LED ad alta potenza, il loro costo è compensato da una riduzione dei bisogni di dissipatori di calore e da una durata di vita più lunga.

Mito: i nuclei di alluminio più spessi hanno sempre prestazioni migliori.
Fatto: La diminuzione dei rendimenti applicata, passando da 1 mm a 2 mm di spessore dell'alluminio, riduce il Tj di 10°C, ma da 2 mm a 3 mm lo riduce solo di 3°5°C.

Domande frequenti
D: I PCB supportati dall'alluminio possono essere utilizzati con i LED RGB?
R: Sì, sono ideali per i LED RGB, che sono soggetti a cambiamenti di colore sotto il calore.

D: Esistono PCB flessibili con supporto in alluminio per apparecchiature a LED curve?
R: Sì, le versioni flessibili utilizzano nuclei di alluminio sottili (0,2 ∼ 0,5 mm) e dielettrici flessibili (ad esempio silicone) per applicazioni curve come le strisce LED nell'illuminazione delle insenature.

D: Quanto costa un PCB con supporto in alluminio rispetto al FR4?
R: 1,5×2 volte più per la stessa dimensione, ma il costo totale del sistema (PCB + dissipatore di calore) è spesso inferiore a causa dei costi di dissipatore di calore eliminati nei progetti ad alta potenza.

D: Qual è la potenza LED massima che un PCB con supporto in alluminio può gestire?
R: Fino a 500W + con un grande core in alluminio (300 mm × 300 mm) e raffreddamento attivo (ventilatori).

D: I PCB con supporto in alluminio richiedono una saldatura speciale?
R: Non funzionano i profili di reflusso SMT standard, sebbene una massa termica maggiore possa richiedere tempi di immersione leggermente più lunghi (30-60 secondi a 245 °C) per garantire buone giunzioni di saldatura.

Conclusioni
I PCB supportati dall'alluminio hanno trasformato la tecnologia LED, permettendo di creare apparecchiature di alta potenza e di lunga durata che definiscono l'illuminazione moderna.Sbloccano uscite più luminose., prestazioni più stabili e durata di vita prolungata, il tutto semplificando le progettazioni e riducendo i costi del sistema.
Per gli ingegneri e i produttori, comprendere le sfumature della progettazione di PCB supportati da alluminio – dalla selezione dielettrica alla dimensione del nucleo di alluminio – è la chiave per massimizzare le prestazioni dei LED.Se costruire un riflettore da 10W o un apparecchio industriale da 500W, questi PCB specializzati non sono più un'opzione ma una necessità per i prodotti LED competitivi e affidabili.
Mentre i LED continuano a spingere i confini dell'efficienza e della potenza, i PCB supportati dall'alluminio rimarranno il loro partner essenziale, garantendo che la luce che producono sia duratura e luminosa.