एल्यूमीनियम-समर्थित पीसीबी: एलईडी शक्ति और प्रदर्शन को बढ़ावा देना

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प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) ने अपनी ऊर्जा दक्षता और लंबे जीवनकाल के साथ प्रकाश व्यवस्था में क्रांति ला दी है, लेकिन उनका प्रदर्शन एक महत्वपूर्ण कारक पर निर्भर करता हैः गर्मी प्रबंधन।एलईडी केवल 20-30% ऊर्जा को प्रकाश में परिवर्तित करती है बाकी गर्मी में बदल जाती है. प्रभावी फैलाव के बिना, यह गर्मी बढ़ जाती है, चमक को कम करती है, रंग तापमान को बदलती है, और जीवनकाल को 50% या उससे अधिक कम करती है। एल्यूमीनियम समर्थित पीसीबी दर्ज करेंःउच्च प्रदर्शन एलईडी प्रणालियों के अज्ञात नायकोंएलईडी चिप्स से गर्मी खींचने और इसे कुशलता से फैलाने के लिए डिज़ाइन किए गए, ये विशेष पीसीबी उज्ज्वल, अधिक विश्वसनीय और लंबे समय तक चलने वाले एलईडी उत्पादों को सक्षम करते हैं।यह गाइड एल्यूमीनियम समर्थित पीसीबी एलईडी प्रदर्शन को कैसे बढ़ाता है, उनकी डिजाइन बारीकियों, और वे आधुनिक प्रकाश व्यवस्था में अपरिहार्य क्यों बन गए हैं।

महत्वपूर्ण बातें
1एल्यूमीनियम समर्थित पीसीबी मानक एफआर4 पीसीबी की तुलना में एलईडी जंक्शन तापमान को 20 से 40 डिग्री सेल्सियस तक कम करते हैं, एलईडी जीवनकाल को 30,000 से 50,000+ घंटे तक बढ़ाते हैं।
2वे एलईडी फिक्स्चर में 30-50% अधिक शक्ति घनत्व को सक्षम करते हैं, जिससे अधिक चमक आउटपुट (उदाहरण के लिए, FR4 के साथ 150lm/W बनाम 100lm/W) की अनुमति मिलती है।
3एल्यूमीनियम समर्थित पीसीबी की थर्मल चालकता (१५ W/m·K) मानक FR4 (०.२.०.३ W/m·K) से ५.२५ गुना बेहतर है, जो उच्च शक्ति वाले एलईडी (१०W+) के लिए महत्वपूर्ण है।
4डायलेक्ट्रिक परत की मोटाई, तांबे के वजन और एल्यूमीनियम कोर के आकार जैसे डिजाइन कारक सीधे थर्मल प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं।

एलईडी के लिए एल्यूमीनियम समर्थित पीसीबी क्या हैं?
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 baseमानक एफआर4 पीसीबी के विपरीत, जो थर्मल इन्सुलेटर के रूप में कार्य करते हैं, एल्यूमीनियम समर्थित पीसीबी विद्युत चालक और हीट सिंक दोनों के रूप में कार्य करते हैं।

परत संरचना
a.एल्यूमीनियम कोरः एल्यूमीनियम मिश्र धातु (आमतौर पर 1050 या 6061) से निर्मित सबसे मोटी परत (180 ¢ 200 W/m·K) और लागत-प्रभावीता के लिए चुना गया।
b.थर्मल डाइलेक्ट्रिक परतःउच्च थर्मल चालकता के साथ सिरेमिक से भरा हुआ इपॉक्सी या सिलिकॉन की 50 ¢ 200μm की परत (1 ¢ 5 W/m·K) जो गर्मी के हस्तांतरण के दौरान एल्यूमीनियम से तांबे को विद्युत रूप से अछूता करती है.
कॉपर सर्किट लेयरः 1 ′′3oz (35 ′′105μm) तांबे के निशान जो एलईडी और घटकों को जोड़ते हैं, जिसमें मोटी तांबे (2 ′′3oz) का उपयोग बिजली-घनता वाले जुड़नार में उच्च-वर्तमान पथों के लिए किया जाता है।

एल्यूमीनियम-समर्थित पीसीबी एलईडी प्रदर्शन को कैसे बढ़ाता है
एलईडी तापमान के प्रति अति संवेदनशील होते हैं। जंक्शन तापमान (Tj) में छोटी वृद्धि भी प्रदर्शन में गिरावट लाती हैः
a.प्रकाश में ~ 2% की गिरावट °C की वृद्धि के साथ होती है।
रंग तापमान में बदलाव (उदाहरण के लिए, ठंडे सफेद एलईडी नीले हो जाते हैं) ।
c.जीवनकाल घातीय रूप से घटता है (अरेनियस समीकरण के अनुसार, 10°C Tj की वृद्धि जीवनकाल को आधा कर देती है) ।
एल्यूमीनियम-समर्थित पीसीबी एलईडी चिप से एल्यूमीनियम कोर तक एक प्रत्यक्ष थर्मल पथ बनाकर इस समस्या का समाधान करते हैं, इन मुद्दों को कम करते हैं।

1निचला जंक्शन तापमान
a. हीट ट्रांसफर पथ: जब एक एलईडी काम करता है, तो गर्मी चिप से उसके सोल्डर पैड के माध्यम से तांबे की परत तक, डाईलेक्ट्रिक के माध्यम से, और एल्यूमीनियम कोर में बहती है, जो इसे फैलाती है और फैलाती है।
b. वास्तविक दुनिया में प्रभावः एल्यूमीनियम समर्थित पीसीबी पर 10W एलईडी का Tj 65°C तक पहुंच जाता है, जबकि मानक FR4 पर 95°C तक पहुंच जाता है, जिससे जीवनकाल 30,000 से 60,000 घंटे तक बढ़ जाता है।

2उच्च शक्ति घनत्व
a.एल्यूमीनियम-समर्थित पीसीबी एक ही स्थान में अधिक एलईडी या उच्च-वाट वाले चिप्स को पैक करने की अनुमति देते हैं। उदाहरण के लिएः
एक 100 मिमी × 100 मिमी एल्यूमीनियम समर्थित पीसीबी बिना ओवरहीटिंग के सोलह 5W एलईडी (कुल 80W) को पावर दे सकता है।
थर्मल विफलता से बचने के लिए एक ही आकार का FR4 पीसीबी आठ 5W एलईडी (40W कुल) तक सीमित है।

3. लगातार प्रकाश आउटपुट
स्थिर तापमान चमक में उतार-चढ़ाव और रंग परिवर्तन को रोकता है।ऊर्जा विभाग द्वारा किए गए एक अध्ययन में पाया गया कि एल्यूमीनियम-समर्थित पीसीबी का उपयोग करने वाले एलईडी फिक्स्चर ने 5 वर्षों के बाद 90% प्रारंभिक चमक बनाए रखी।FR4 आधारित फिक्स्चर के लिए 70% के मुकाबले, 000 घंटे।

4. प्रणाली लागत में कमी
पीसीबी में हीट सिंक को एकीकृत करके, एल्यूमीनियम-समर्थित डिजाइन अलग हीट सिंक की आवश्यकता को समाप्त करते हैं, सामग्री और असेंबली लागत को 15%-30% तक कम करते हैं। उदाहरण के लिए,एल्यूमीनियम-बैकड पीसीबी का उपयोग करने वाला 100W एलईडी हाई-बै लाइट लागत (5 ¢) 10 अतिरिक्त हीट सिंक के साथ FR4 डिजाइन की तुलना में कम है.

एलईडी अनुप्रयोगों में एल्यूमीनियम-बैकड बनाम एफआर 4 पीसीबी
एलईडी प्रणालियों में एल्यूमीनियम समर्थित और एफआर4 पीसीबी के बीच प्रदर्शन अंतर भारी हैः

एल्यूमीनियम समर्थित एलईडी पीसीबी के लिए डिजाइन विचार
एलईडी के लिए एल्यूमीनियम समर्थित पीसीबी को अनुकूलित करने के लिए थर्मल प्रदर्शन, विद्युत आवश्यकताओं और लागत को संतुलित करना आवश्यक हैः
1विद्युतरोधक परत का चयन
डायलेक्ट्रिक परत तांबा और एल्यूमीनियम के बीच का पुल है। इसके गुण सीधे हीट ट्रांसफर को प्रभावित करते हैंः
   a.थर्मल चालकताःउच्च-शक्ति वाले एलईडी के लिए 3 5 W / m · K चुनें (उदाहरण के लिए, बर्गक्विस्ट थर्मगोन जैसे सिरेमिक से भरे इपॉक्सी) । कम शक्ति वाले एलईडी के लिए, 1 2 W / m · K पर्याप्त और सस्ता है।
   b. मोटाईःपतले डाईलेक्ट्रिक्स (50×100μm) गर्मी को बेहतर रूप से स्थानांतरित करते हैं लेकिन विद्युत अलगाव को कम करते हैं। आर्किंग को रोकने के लिए उच्च वोल्टेज अनुप्रयोगों (> 50V) के लिए 100×200μm का उपयोग करें।
  c.वोल्टेज रेटिंगःयह सुनिश्चित करें कि डाईलेक्ट्रिक एलईडी सिस्टम वोल्टेज (जैसे, 120 वी एसी फिक्स्चर के लिए 2kV) को पूरा करता है या उससे अधिक है।

2तांबे की परत डिजाइन
  a.वजनःउच्च धारा पथों के लिए 2 ̊3 औंस तांबे का उपयोग करें (उदाहरण के लिए, एलईडी सरणी 5 ए + ड्राइंग) । मोटी तांबे प्रतिरोध को कम करती है और पीसीबी के माध्यम से गर्मी फैलती है।
   b.Trace चौड़ाईःप्रतिरोधात्मक ताप को कम करने के लिए एलईडी बिजली के निशान 1 ए वर्तमान के लिए ≥ 0.5 मिमी चौड़े होने चाहिए।
  c.पैड का आकारःएलईडी थर्मल पैड (यदि मौजूद हो) को एलईडी से तांबे में गर्मी हस्तांतरण को अधिकतम करने के लिए पीसीबी पैड के आकार (आमतौर पर 2 5 मिमी 2) से मेल खाना चाहिए।

3एल्यूमीनियम कोर विनिर्देश
  a. मोटाईःमोटे कोर (2.0 ∼ 3.0 मिमी) उच्च शक्ति वाले एलईडी (50W+) के लिए गर्मी को बेहतर ढंग से फैलाते हैं। कम शक्ति वाले अनुप्रयोगों के लिए, 0.8 ∼ 1.5 मिमी प्रदर्शन और लागत को संतुलित करता है।
  b.सतह क्षेत्रफलःबड़े एल्यूमीनियम कोर (या पंखों वाले) निष्क्रिय शीतलन में सुधार करते हैं। 200 मिमी × 200 मिमी का कोर 100W निष्क्रिय रूप से भंग कर सकता है, जबकि 100 मिमी × 100 मिमी के कोर को समान शक्ति के लिए एक हीट सिंक की आवश्यकता हो सकती है।
  c.मिश्र धातु प्रकारः6061 एल्यूमीनियम (180 W/m·K) 1050 (200 W/m·K) की तुलना में बेहतर थर्मल चालकता प्रदान करता है लेकिन थोड़ा अधिक महंगा है। दोनों अधिकांश एलईडी अनुप्रयोगों के लिए काम करते हैं।

4एलईडी प्लेसमेंट और रूटिंग
  a.समान दूरीःओवरलैपिंग हॉटस्पॉट को रोकने के लिए स्पेस एल ई डी ≥5 मिमी दूर। उच्च घनत्व वाले सरणियों के लिए, 10 ∼ 15 मिमी के अंतराल के साथ ग्रिड पैटर्न का उपयोग करें।
  b.थर्मल वाइस:तांबे की परत से एल्यूमीनियम कोर में गर्मी स्थानांतरित करने के लिए बड़े एलईडी पैकेज के नीचे वायस (0.3 ̊0.5 मिमी) जोड़ें, Tj को 5 ̊10 डिग्री सेल्सियस तक कम करें।
  c.गर्मी के जाल से बचें:एल्यूमीनियम कोर के लिए गर्मी प्रवाह को अवरुद्ध करने से रोकने के लिए एलईडी पैड से दूर मार्ग निशान।

अनुप्रयोगः जहां एल्यूमीनियम-बैक पीसीबी चमकते हैं
एल्यूमीनियम समर्थित पीसीबी एलईडी प्रणालियों में आवश्यक हैं जहां प्रदर्शन और विश्वसनीयता सबसे अधिक मायने रखती हैः
1वाणिज्यिक और औद्योगिक प्रकाश व्यवस्था
हाई-बे लाइट्सः गोदामों और कारखानों में 100 ¢ 300W के फिक्स्चर कई 10W + एलईडी को संभालने के लिए एल्यूमीनियम-समर्थित पीसीबी पर निर्भर करते हैं।
स्ट्रीट लाइट्सः अत्यधिक तापमान के संपर्क में आने वाले बाहरी जुड़नार -40°C से 60°C के वातावरण में प्रदर्शन बनाए रखने के लिए एल्यूमीनियम कोर का उपयोग करते हैं।

2. ऑटोमोबाइल प्रकाश व्यवस्था
एलईडी हेडलाइट्सः प्रत्येक हेडलाइट पर 20 ̊50W, हुड के नीचे (100°C+ तापमान) विश्वसनीयता सुनिश्चित करने के लिए एल्यूमीनियम-समर्थित पीसीबी के साथ।
आंतरिक प्रकाश व्यवस्था: यहां तक कि छोटे गुंबद प्रकाश व्यवस्था भी बंद स्थानों में अति ताप को रोकने के लिए पतले एल्यूमीनियम-समर्थित पीसीबी का उपयोग करते हैं।

3विशेष प्रकाश व्यवस्था
उगने वाली रोशनीः घने एलईडी सरणी वाले 200 ‰ 1000W के सिस्टम में पौधों की वृद्धि के लिए लगातार प्रकाश स्पेक्ट्रम बनाए रखने के लिए अधिकतम गर्मी अपव्यय की आवश्यकता होती है।
स्टेज लाइटिंगः उच्च आउटपुट चलती सिर (50 ¢ 200W) थर्मल तनाव के बिना तेजी से चालू / बंद चक्रों को संभालने के लिए एल्यूमीनियम-समर्थित पीसीबी का उपयोग करते हैं।

4उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स
एलईडी स्ट्रिप्स: उच्च घनत्व वाली स्ट्रिप्स (120 एलईडी/एम) संकीर्ण स्थानों (जैसे, अलमारियों के नीचे) में अति ताप से बचने के लिए पतली एल्यूमीनियम-समर्थित पीसीबी का उपयोग करती हैं।
फ्लैशलाइट्स: कॉम्पैक्ट, उच्च-लुमेन (1000+ lm) फ्लैशलाइट्स छोटे आवासों में 5 ̊10W एलईडी को ठंडा करने के लिए एल्यूमीनियम कोर पर निर्भर करती हैं।

एलईडी पीसीबी के लिए परीक्षण और सत्यापन
एल्यूमीनियम समर्थित पीसीबी के उद्देश्य के अनुसार प्रदर्शन सुनिश्चित करने के लिए विशेष परीक्षण की आवश्यकता होती हैः
1थर्मल प्रतिरोध (Rth)
a.यह मापता है कि एलईडी जंक्शन से एल्यूमीनियम कोर में गर्मी कितनी प्रभावी रूप से बहती है। कम Rth (जैसे, 1 ′′ 2 °C / W) बेहतर है।
b.परीक्षण विधि: एक थर्मल कैमरे का उपयोग निरंतर शक्ति के तहत एलईडी पैड और एल्यूमीनियम कोर के बीच तापमान अंतर को मापने के लिए किया जाता है।

2जंक्शन तापमान (Tj)
a.जाँच करें कि Tj एलईडी के अधिकतम रेटिंग से नीचे रहता है (आमतौर पर वाणिज्यिक एलईडी के लिए 125°C) ।
b.परीक्षण विधिः एलईडी के थर्मल पैड से जुड़ा एक थर्मोकपल का प्रयोग करें या आगे के वोल्टेज शिफ्ट से Tj का अनुमान लगाएं (एलईडी डेटाशीट के अनुसार) ।

3जीवनकाल सिमुलेशन
a.अच्छी तरह से निर्मित पीसीबी में एक आम विफलता मोड, परतों के बीच विघटन के लिए परीक्षण करने के लिए 1,000+ चक्रों के लिए त्वरित थर्मल साइकिल (-40°C से 85°C) ।

4प्रकाश आउटपुट स्थिरता
a.ट्रैक लूमेन रखरखाव (L70) 1,000 घंटे के संचालन से अधिक समय तक। एल्यूमीनियम समर्थित पीसीबी को आरंभिक चमक का ≥95% बनाए रखना चाहिए, FR4 के लिए 80~85% के विपरीत।

आम मिथक और गलत धारणाएँ
मिथकः सभी एल्यूमीनियम समर्थित पीसीबी एक जैसे काम करते हैं।
तथ्य: डाईलेक्ट्रिक सामग्री और मोटाई, तांबे का वजन और एल्यूमीनियम की गुणवत्ता महत्वपूर्ण अंतर पैदा करती है। 1 W/m·K डाईलेक्ट्रिक पीसीबी FR4 की तुलना में केवल 2 गुना बेहतर प्रदर्शन कर सकता है।जबकि 5 W/m·K संस्करण 10 गुना बेहतर प्रदर्शन करता है.

मिथकः एल्यूमीनियम से बने पीसीबी उपभोक्ता उत्पादों के लिए बहुत महंगे हैं।
तथ्य: उच्च-शक्ति वाले एलईडी के लिए, उनकी लागत हीट सिंक की जरूरतों को कम करने और लंबे जीवनकाल के कारण ऑफसेट होती है। 100W एलईडी बल्ब में ए (2 एल्यूमीनियम-समर्थित पीसीबी) एक) 1 हीट सिंक से बचता है, जिसके परिणामस्वरूप समान कुल लागत होती है।

मिथकः मोटे एल्यूमीनियम कोर हमेशा बेहतर प्रदर्शन करते हैं।
तथ्य: 1 मिमी से 2 मिमी मोटी एल्यूमीनियम पर जाने से Tj को 10°C तक कम किया जाता है, लेकिन 2 मिमी से 3 मिमी तक यह केवल 3°5°C तक कम होता है।

सामान्य प्रश्न
प्रश्न: क्या एल्यूमीनियम समर्थित पीसीबी का उपयोग आरजीबी एलईडी के साथ किया जा सकता है?
एः हां, वे आरजीबी एलईडी के लिए आदर्श हैं, जो गर्मी के तहत रंग परिवर्तन के लिए प्रवण हैं। एल्यूमीनियम कोर तीनों रंग चिप्स को स्थिर तापमान पर रखते हैं, रंग सटीकता बनाए रखते हैं।

प्रश्न: क्या घुमावदार एलईडी फिक्स्चर के लिए लचीले एल्यूमीनियम समर्थित पीसीबी हैं?
उत्तरः हाँ