पीसीबी में थर्मल मैनेजमेंटः एलईडी लाइटिंग लाइफटाइम बढ़ाना

एलईडी लाइटिंग ने ऊर्जा दक्षता में क्रांति ला दी है, लेकिन एक महत्वपूर्ण कारक: गर्मी प्रबंधन पर इसका प्रदर्शन और दीर्घायु काज। गरमागरम बल्बों के विपरीत, जो गर्मी के रूप में 90% ऊर्जा को बर्बाद करते हैं, एलईडी 80% ऊर्जा को प्रकाश में बदल देते हैं - लेकिन शेष 20% अभी भी घटकों को नीचा दिखाने के लिए पर्याप्त गर्मी उत्पन्न करता है। एलईडी जंक्शन तापमान में 10 डिग्री सेल्सियस की वृद्धि से 50%की कटौती हो सकती है, जिससे मुद्रित सर्किट बोर्ड (पीसीबी) को मजबूत थर्मल प्रबंधन के साथ न केवल एक सुविधा, बल्कि एक आवश्यकता हो सकती है। यहां बताया गया है कि कैसे अनुकूलित पीसीबी डिजाइन और सामग्री सुनिश्चित करें कि एलईडी प्रकाश 50,000+ घंटे तक रहता है, यहां तक कि औद्योगिक जुड़नार या आउटडोर स्ट्रीटलाइट्स जैसे उच्च-तनाव अनुप्रयोगों में भी।

प्रमुख takeaways

• एलईडी जंक्शन तापमान 125 डिग्री सेल्सियस से नीचे रहना चाहिए; अतिरिक्त गर्मी लुमेन मूल्यह्रास और घटक विफलता का कारण बनती है।
• मेटल-कोर पीसीबी (MCPCBs) और उच्च-थर्मल लैमिनेट्स पारंपरिक FR-4 बोर्डों की तुलना में 3-5x तेजी से गर्मी को नष्ट करते हैं।
• उचित पीसीबी डिज़ाइन - जिसमें ट्रेस चौड़ाई, तांबे की मोटाई, और हीट सिंक एकीकरण शामिल हैं - थर्मल प्रतिरोध को 40%तक कम कर देता है।
• IPC-2221 और LM-80 गाइड जैसे उद्योग मानक विश्वसनीय एलईडी प्रदर्शन के लिए थर्मल प्रबंधन सर्वोत्तम प्रथाओं।

क्यों गर्मी ने एलईडी को मार दिया: थर्मल तनाव का विज्ञान

एलईडी एक सेमीकंडक्टर के माध्यम से करंट पास करके संचालित होते हैं, एक प्रक्रिया जो जंक्शन (परतों के बीच इंटरफ़ेस) पर गर्मी उत्पन्न करती है। यह गर्मी जल्दी से बचना चाहिए:

A.AT 85 ° C जंक्शन तापमान, एक एलईडी आमतौर पर 50,000 घंटे तक रहता है।
B.AT 105 ° C, जीवनकाल 25,000 घंटे तक गिरता है।
C.AT 125 ° C, यह अपने संभावित जीवनकाल के सिर्फ 10,000 घंटे -1/5 तक गिर जाता है।

गर्मी भी अन्य घटकों को नीचा दिखाती है: मिलाप जोड़ों की दरार, कैपेसिटर सूखी, और ऑप्टिकल लेंस पीले। आउटडोर लाइटिंग में, जहां परिवेश का तापमान गर्मियों में 40 ° C+ तक पहुंच सकता है, खराब थर्मल प्रबंधन "10-वर्ष" एलईडी को 2-वर्षीय प्रतिस्थापन में बदल देता है।

कैसे पीसीबी नियंत्रण एलईडी गर्मी: डिजाइन और सामग्री समाधान
पीसीबी एलईडी जुड़नार में प्राथमिक हीट कंडक्टर के रूप में कार्य करता है, एलईडी जंक्शन से गर्मी के सिंक या पर्यावरण तक गर्मी को चैनल करता है। प्रभावी थर्मल प्रबंधन दो स्तंभों पर निर्भर करता है: सामग्री चयन और डिजाइन अनुकूलन।

1। पीसीबी सामग्री तुलना: तापीय चालकता मामले
सभी पीसीबी समान नहीं होते हैं जब यह गर्मी अपव्यय की बात आती है। नीचे दी गई तालिका सामान्य सामग्रियों की तुलना करती है:

नोट: थर्मल चालकता मापता है कि एक सामग्री कितनी अच्छी तरह से ट्रांसफर करती है गर्मी -उच्च मूल्यों का मतलब तेजी से अपव्यय है।
एल्यूमीनियम कोर पीसीबी (MCPCBs) सबसे उच्च-शक्ति एलईडी के लिए मीठे स्थान हैं, जो कॉपर कोर की लागत के बिना FR-4 पर गर्मी हस्तांतरण में 300% सुधार की पेशकश करते हैं। उदाहरण के लिए, एक MCPCB का उपयोग करके एक 100W एलईडी फ्लडलाइट 75 ° C का जंक्शन तापमान बनाए रखता है, जबकि FR-4 पर एक ही डिज़ाइन 110 ° C- 70%से जीवनकाल काटता है।

2। गर्मी अपव्यय को बढ़ावा देने के लिए डिजाइन तकनीक
यहां तक कि सही सामग्री के साथ, गरीब पीसीबी डिजाइन गर्मी को फंसा सकता है। ये रणनीतियाँ थर्मल प्रदर्शन को अधिकतम करती हैं:
ए। कॉपर की मोटाई: मोटा तांबा (2oz बनाम 1oz) गर्मी के प्रवाह को 50%बढ़ाता है। एक 2oz कॉपर लेयर (70μm) एक "हीट हाईवे" की तरह काम करता है, जो पतले विकल्पों की तुलना में तेजी से पीसीबी में गर्मी फैलाता है।
B.Trace लेआउट: चौड़े, छोटे निशान थर्मल प्रतिरोध को कम करते हैं। 50W एलईडी के लिए, हॉटस्पॉट से बचने के लिए निशान कम से कम 3 मिमी चौड़े होने चाहिए।
C.Thermal VIAS: प्लेटेड VIAS (0.3–0.5 मिमी व्यास) एलईडी पैड को पीसीबी की निचली परत से कनेक्ट करें, जो गर्मी पाइप के रूप में कार्य करता है। एक एलईडी के तहत वीआईएएस का 3x3 ग्रिड 15 डिग्री सेल्सियस से तापमान कम कर सकता है।
D.Heat सिंक एकीकरण: सीधे पीसीबी को एल्यूमीनियम हीट सिंक (थर्मल पेस्ट का उपयोग करके या 0.5w/m · k चालकता के साथ चिपकने वाला या चिपकने वाला) गर्मी से बचने के लिए एक माध्यमिक पथ जोड़ता है।
लाइटिंग रिसर्च सेंटर के एक अध्ययन में पाया गया कि ये डिज़ाइन ट्विक्स संयुक्त रूप से एलईडी जीवनकाल को 30,000 से 60,000 घंटे तक वाणिज्यिक डाउनलाइट्स में बढ़ा सकते हैं।

विशिष्ट एलईडी अनुप्रयोगों में थर्मल प्रबंधन
विभिन्न वातावरण अनुरूप समाधानों की मांग करते हैं। यहां बताया गया है कि प्रमुख उपयोग के मामलों के लिए पीसीबी को कैसे अनुकूलित किया जाए:

आउटडोर लाइटिंग (स्ट्रीटलाइट्स, फ्लडलाइट्स)
A.Outdoor एलईडी चरम तापमान (-40 ° C से 60 ° C) और आर्द्रता का सामना करते हैं।
नमी का विरोध करने के लिए एक मोटी ढांकता हुआ परत (100μm) के साथ एल्यूमीनियम MCPCBs।
सी। पीसीबी बैकसाइड के लिए एक फिन्ड हीट सिंक - 150W+ फिक्स्चर के लिए महत्वपूर्ण।
उदाहरण: इन चश्मे का उपयोग करते हुए एक स्ट्रीटलाइट ने 5 साल के बाद 90% लुमेन आउटपुट को बनाए रखा, FR-4- आधारित डिजाइनों के लिए 50% बनाम।

ऑटोमोटिव लाइटिंग (हेडलाइट्स, टेललाइट्स)
कंपन और अंडरहुड हीट (125 डिग्री सेल्सियस तक) को बीहड़ डिजाइनों की आवश्यकता होती है।
ए। कॉपर-कोर पीसीबी उच्च गर्मी को संभालते हैं; उनकी कठोरता कंपन क्षति का विरोध करती है।
तंग हेडलाइट बाड़ों में हॉटस्पॉट को रोकने के लिए एलईडी सरणियों के पास थर्मल वीस का उपयोग करें।
C.compliance: PCB डिजाइन के लिए AEC-Q102 (LED घटक मानक) और IPC-2221 से मिलें।

इनडोर वाणिज्यिक प्रकाश व्यवस्था (कार्यालय, खुदरा)
अंतरिक्ष की कमी और डिमिंग चक्र कॉम्पैक्ट दक्षता की मांग करते हैं।
A.LIM एल्यूमीनियम MCPCBs उथले जुड़नार में फिट होते हैं; 1oz तांबा गर्मी और लागत को संतुलित करता है।
आसान हीट सिंक अटैचमेंट के लिए B.Design (जैसे, पूर्व-ड्रिल्ड माउंटिंग छेद)।
C.Benefit: कम प्रतिस्थापन के कारण खुदरा श्रृंखलाओं में 40% कम रखरखाव की लागत।

परीक्षण और सत्यापन: थर्मल प्रदर्शन सुनिश्चित करना
सिमुलेशन पर भरोसा न करें-वास्तविक दुनिया के परीक्षण के साथ वैरिटेट:
A.Thermal इमेजिंग: FLIR कैमरे हॉटस्पॉट्स की पहचान करते हैं (लक्ष्य: <10 ° C पीसीबी किनारों पर परिवेश के ऊपर)।
B.LM-80 परीक्षण: यह उद्योग मानक लुमेन मूल्यह्रास को 6,000+ घंटे से अधिक 85 ° C और 105 ° C पर ऊर्जा स्टार आवश्यकताओं के अनुपालन को सुनिश्चित करता है।
C.Thermal प्रतिरोध (Rθ) गणना: उच्च-शक्ति वाले LED के लिए R 2 <5 ° C/W (जंक्शन से परिवेश के लिए) के लिए AIM। 100W एलईडी के लिए, यह 85 ° C (25 ° C परिवेश + 100W x 5 ° C/W) के तहत जंक्शन अस्थायी रखता है।

उप पूछे जाने वाले उपवास
प्रश्न: पीसीबी की मोटाई थर्मल प्रबंधन को कैसे प्रभावित करती है?
एक: मोटी पीसीबी (1.6 मिमी बनाम 0.8 मिमी) गर्मी फैलने के लिए अधिक सामग्री प्रदान करती है, लेकिन मुख्य सामग्री अधिक मायने रखती है। एक 1.6 मिमी एल्यूमीनियम MCPCB एक 3.2 मिमी FR-4 बोर्ड से बेहतर प्रदर्शन करता है।
प्रश्न: क्या लचीला पीसीबी एलईडी गर्मी को संभाल सकता है?
A: हाँ, लेकिन केवल कम-शक्ति एलईडी (<10w) के लिए। स्ट्रिप लाइटिंग में 1oz तांबे के काम के साथ लचीली पॉलीमाइड पीसीबी, लेकिन उच्च-गर्मी अनुप्रयोगों में उनसे बचें-उनकी थर्मल चालकता (0.2w/m · k) कठोर MCPCB की तुलना में कम है।
प्रश्न: MCPCBs में अपग्रेड करने का लागत क्या प्रभाव है?
A: एल्यूमीनियम MCPCBs PCB लागत में ~ 20% जोड़ते हैं, लेकिन लंबे समय तक जीवनकाल और कम प्रतिस्थापन के माध्यम से समग्र स्वामित्व लागत को 50% तक कम करते हैं।

निष्कर्ष
पीसीबी में थर्मल प्रबंधन एक बाद नहीं है - यह विश्वसनीय एलईडी प्रकाश व्यवस्था की रीढ़ है। सही सामग्री (अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए एल्यूमीनियम एमसीपीसीबी) का चयन करके, डिजाइनों (थर्मल वीआईएएस, मोटी तांबे) का अनुकूलन, और मान्य प्रदर्शन, आप यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि एलईडी उनके पूर्ण 50,000+ घंटे की क्षमता तक पहुंच सकते हैं। निर्माताओं के लिए, यह खुशहाल ग्राहकों, कम वारंटी के दावों और तेजी से बढ़ते एलईडी एमए में एक प्रतिस्पर्धी बढ़त का अनुवाद करता है