إدارة الحرارة في PCBs: تمديد عمر الإضاءة LED

إن إضاءة LED قد أحدثت ثورة في كفاءة استخدام الطاقة، لكن أدائها وطول عمرها يعتمدون على عامل حاسم واحد: إدارة الحرارة. على عكس المصابيح الساخنة، التي تضيع 90% من الطاقة كحرارة،مصابيح LED تحوّل 80% من الطاقة إلى ضوء لكن 20% المتبقية لا تزال تولد ما يكفي من الحرارة لتدهور المكوناتزيادة درجة حرارة التقاطع LED بمقدار 10 درجات مئوية يمكن أن تقلل من العمر بنسبة 50٪ ، مما يجعل لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) مع إدارة حرارية قوية ليست ميزة فقط ، ولكن ضرورة.هنا كيف أن تصميم ومواد PCB المثلى تضمن إضاءة LED تستمر 50،000+ ساعات، حتى في التطبيقات عالية الإجهاد مثل الأجهزة الصناعية أو مصابيح الشوارع الخارجية.

أهم المعلومات

• يجب أن تبقى درجة حرارة تقاطع LED أقل من 125 درجة مئوية ؛ الحرارة الزائدة تسبب انخفاض الضوء وتعطيل المكونات.
• تشتت أقراص PCB ذات النواة المعدنية (MCPCBs) والملصقات الحرارية العالية الحرارة بسرعة 3 × 5 أضعاف مقارنة بالألواح التقليدية FR-4.
• التصميم المناسب لـ PCB ‬بما في ذلك عرض العلامات، وسمك النحاس، وتكامل مخزن الحرارة ‬يقلل من المقاومة الحرارية بنسبة تصل إلى 40 ٪. ‬
• معايير الصناعة مثل IPC-2221 و LM-80 دليل أفضل الممارسات في إدارة الحرارة لأداء LED موثوق به.

لماذا يقتل الحرارة مصابيح ال LED: علم الإجهاد الحراري

تعمل مصابيح LED عن طريق تمرير التيار من خلال أشباه الموصلات، وهي عملية تولد الحرارة في التقاطع (الواجهة بين الطبقات). يجب أن يخرج هذا الحرارة بسرعة:

a. عند درجة حرارة التقاطع 85 درجة مئوية، يستمر مصباح LED عادةً لمدة 50،000 ساعة.
ب. عند درجة حرارة 105 درجة مئوية، تنخفض عمرها إلى 25 ألف ساعة.
c. عند 125 درجة مئوية، ينخفض إلى 10،000 ساعة فقط 1/5 من عمرها المحتمل.

الحرارة أيضاً تُحطّم مكونات أخرى: فان مفاصل اللحام تتصدّع، وتجف المكثفات، وتصيب العدسات البصرية باللون الأصفر.إدارة الحرارة السيئة تتحول إلى إضافات لمدة عامين.

كيف تتحكم PCBs في حرارة LED: تصميم وحلول المواد
يعمل PCB كموصول حراري أساسي في الأجهزة المضاءة LED ، وتوجيه الحرارة من تقاطع LED إلى مخزونات الحرارة أو البيئة. تعتمد الإدارة الحرارية الفعالة على ركيزتين:اختيار المواد وتحسين التصميم.

1مقارنة مواد الـ PCB: مسائل التوصيل الحراري
لا تتساوى جميع مواد PCB عندما يتعلق الأمر بتبديد الحرارة. يُقارن الجدول أدناه مع المواد الشائعة:

ملاحظة: القيادة الحرارية تقيس مدى تحويل المادة للحرارة ‬القيم العالية تعني تسريع التبديد.
تعتبر أقراص PCB الألومنيوم الأساسية (MCPCBs) هي النقطة الحلوة لمعظم مصابيح LED ذات الطاقة العالية ، حيث تقدم تحسنًا بنسبة 300٪ في نقل الحرارة على FR-4 دون تكلفة النواة النحاسية. على سبيل المثال ،مصباح LED 100W باستخدام MCPCB يحافظ على درجة حرارة التقاطع 75 °C، في حين أن نفس التصميم على FR-4 يصل إلى 110 درجة مئوية

2تقنيات تصميم لتعزيز تبديد الحرارة
حتى مع المواد المناسبة ، يمكن أن يحتجز تصميم PCB السيئ الحرارة. هذه الاستراتيجيات تعظيم الأداء الحراري:
a.سمك النحاس: النحاس الأكثر سمكاً (2 أوقية مقابل 1 أوقية) يزيد من تدفق الحرارة بنسبة 50 ٪ ، وتعمل طبقة النحاس 2 أوقية (70 ميكرو مترا) مثل طريق سريع للحرارة ، وتنتشر الحرارة عبر PCB بشكل أسرع من البدائل الرقيقة.
ب- ترتيب العلامات: العلامات العريضة والقصيرة تقلل من المقاومة الحرارية. بالنسبة إلى مصباح 50 واط، يجب أن يكون العلامات عريضاً 3 ملم على الأقل لتجنب النقاط الساخنة.
c.الممرات الحرارية: الممرات المصفوفة (قطر 0.3 ∼0.5 ملم) تربط منصة LED بالطبقة السفلية من PCB ، وتعمل كأنابيب حرارية. يمكن لشبكة 3 × 3 من الممرات تحت LED خفض درجة الحرارة بنسبة 15 درجة مئوية.
دمج حوض الحرارة: يضيف ربط PCB مباشرة إلى حوض حرارة من الألومنيوم (باستخدام معجون حراري أو لاصق بقيادة 0.5W / m · K) مسارًا ثانويًا للهروب الحراري.
وجدت دراسة أجراها مركز أبحاث الإضاءة أن هذه التعديلات المصممة مجتمعة يمكن أن تمدد عمر LED من 30،000 إلى 60،000 ساعة في مصابيح التجارية.

إدارة الحرارة في تطبيقات LED محددة
تتطلب البيئات المختلفة حلول مخصصة. إليك كيفية تحسين PCBs لحالات الاستخدام الرئيسية:

الإضاءة الخارجية (أضواء الشوارع، أضواء الفيضانات)
a.تواجه مصابيح LED الخارجية درجات حرارة شديدة (-40 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية) ورطوبة.
b. استخدم MCPCBs الألومنيوم مع طبقة كهربائية سميكة (100μm) لمقاومة الرطوبة.
c. أضف مكنس حرارة ذو أجنحة إلى الجزء الخلفي من PCB ‬الذي يعد حاسماً للضوئيات التي تبلغ قوتها 150 واط.
مثال: حافظ مصباح الشارع باستخدام هذه المواصفات على إنتاج 90% من الضوء بعد 5 سنوات، مقابل 50% للتصاميم القائمة على FR-4.

إضاءة السيارات (الأضواء الأمامية، الأضواء الخلفية)
الاهتزازات والحرارة تحت الغطاء (حتى 125 درجة مئوية) تتطلب تصاميم صلبة.
a.تتحمل أقراص PCB النحاسية الحرارة العالية؛ صلابتها تقاوم تلف الاهتزازات.
b.استخدمي الممرات الحرارية بالقرب من صفوف LED لمنع النقاط الساخنة في الحجرات الضوئية الضيقة.
التوافق: تلبية AEC-Q102 (معيار مكونات LED) و IPC-2221 لتصميم PCB.

الإضاءة التجارية الداخلية (المكاتب والتجزئة)
تقتصر القيود على المساحة ودورات الضباب على الكفاءة المدمجة.
a.المواد الألومنيومية الرفيعة الجودة تتلاءم مع الأجهزة الضحلة؛ 1 أونصة من النحاس توازن الحرارة والتكلفة.
ب. التصميم لسهولة تركيب المغسلة الحرارية (على سبيل المثال، ثقوب تركيب مسبقة الحفر).
الفائدة: انخفاض تكاليف الصيانة بنسبة 40% في سلاسل البيع بالتجزئة بسبب عدد أقل من عمليات الاستبدال.

الاختبار والتحقق من الصحة: ضمان الأداء الحراري
لا تعتمد على المحاكاة، تحقق من صحة الاختبار في العالم الحقيقي:
التصوير الحراري: الكاميرات FLIR تحدد النقاط الساخنة (الهدف: < 10 درجة مئوية فوق المحيط في حواف PCB).
اختبار LM-80: يقيس هذا المعيار الصناعي انخفاض الضوء على مدى 6000 ساعة أو أكثر عند 85 درجة مئوية و 105 درجة مئوية ، مما يضمن الامتثال لمتطلبات Energy Star.
c.حساب المقاومة الحرارية (Rθ): الهدف هو Rθ < 5 °C / W (التقاطع مع البيئة) للضوئيات ذات الطاقة العالية. لضوئية 100W ، يحتفظ ذلك بدرجة حرارة التقاطع تحت 85 °C (25 °C البيئة + 100W × 5 °C / W).

أسئلة شائعة
س: كيف تؤثر سمك PCB على الإدارة الحرارية؟
ج: توفر أقراص PCB الأكثر سماكة (1.6 ملم مقابل 0.8 ملم) مادة أكثر لنشر الحرارة ، ولكن المادة الأساسية أكثر أهمية. يتفوق MCPCB الألومنيوم 1.6 ملم على لوحة FR-4 3.2 ملم.
السؤال: هل يمكن لـ PCB المرنة التعامل مع حرارة LED؟
الجواب: نعم، ولكن فقط للضوئيات ذات الطاقة المنخفضة (< 10W). تعمل أقراص PCB البوليميد المرنة مع 1 أوقية من النحاس في الإضاءة الشريطية، ولكن تجنبها في التطبيقات عالية الحرارة2W/m·K) أقل من MCPCBs جامدة.
س: ما هو تأثير التكلفة من الترقية إلى MCPCBs؟
ج: تضيف ألومنيوم MCPCBs ~ 20٪ إلى تكاليف PCB ولكنها تقلل من تكاليف الملكية الإجمالية بنسبة 50٪ من خلال فترة حياة أطول وأقل استبدالًا.

الاستنتاج
الإدارة الحرارية في الألواح الورقية المقطوعة ليست فكرة لاحقة، بل هي العمود الفقري للإضاءة الموثوقة. من خلال اختيار المواد المناسبة (ألواح الألومنيوم MCPCBs لمعظم التطبيقات) ،النحاس السميك)، والتحقق من أداء، يمكنك أن تضمن أن LEDs تصل إلى كامل إمكاناتها 50،000 + ساعة.و ميزة تنافسية في السوق سريعة النمو