Сергей Шмаков - Профессиональные советы домашнему электрику

В большинстве случаев плата выполнена из алюминия. На сторону, обращенную к радиатору, нанесена термопаста, отводящая тепло. Почти 90 % излучения тепла от светодиодов приходится на алюминиевую плату, в которой они установлены. Примеры плат приведены на рис. 7.33.

Рис. 7.33. Платы для установки светодиодов:

а— типа «Звезда»; б— круглая, для установки 7 светодиодов

Платы под сверхяркие светодиоды обычно покрываются черной или белой паяльной маской, чтобы дополнительно увеличить светопоглощение или светоотражение соответственно, что благоприятно сказывается и на температурных режимах и на дизайне светильников.

Медная фольга — используется стандартная для производства печатных плат медная фольга толщиной от 35-350 мкм.

Диэлектрик-препрег — стеклоткань, пропитанная эпоксидными смолами толщиной 50-150 мкм. В качестве препрега может использоваться как обычная эпоксидная стеклоткань FR-4, так и специальный теплопроводящий состав (T-preg), который обладает лучшими теплопроводными и электроизоляционными свойствами. Он представляет собой специальную химически стойкую структуру с высокой теплопроводностью толщиной 75-200 мкм, изготовленного из особого диэлектрика — смеси полимера со специальной керамикой.

Полимер выбирается исходя из его диэлектрических свойств, тогда как керамический наполнитель предназначен для улучшения теплопроводности, благодаря чему материал имеет и отличные диэлектрические свойства, и очень низкое тепловое сопротивление. В платах с металлическим основанием слой диэлектрика — ключевой, поскольку соединяет медь с нижним, металлическим (алюминиевым или медным) базовым, который служит радиатором для всей печатной платы и выполняет функцию проводника тепла от верхнего к нижнему слою — к металлическому основанию.

В конструкции плат с металлическим основанием важную роль играет коэффициент температурного расширения (КТР) материалов подложки. Использование материалов с большим КТР при высоких температурах приводит к возникновению внутренних механических напряжений в структуре.

Примечание.

Поэтому для высокотемпературных применений, где данный параметр критичен, используют материалы с подложкой из низкоуглеродистой стали (толщиной 1 и 2,3 мм) с малым КТР.

Хотя медь обладает лучшими теплопроводными свойствами, алюминий все-таки является самым распространенным материалом для плат с металлическим основанием, так как он более дешевый и, что немаловажно, легкий материал.

Теплопроводность применяемых алюминиевых подложек:

♦ алюминий 1100 (аналог АД) — 222 Вт/мК;

♦ алюминий 5052 (аналог АМг2,5) — 138 Вт/мК;

♦ алюминий 6061 (аналог АД33) — 167 Вт/мК.

На сегодняшний день несколько крупных компаний-производителей термопроводящих электроизолирующих материалов выпускают базовые материалы для изготовления печатных плат с металлическим основанием: Bergquist (США), Totking (Китай), Ruikai (Китай), Laird (Thermagon) (США), Denka (Япония).

Широкий перечень поставляемых материалов с различными характеристиками способны удовлетворить самый взыскательный вкус разработчиков и технологов радиоэлектронной аппаратуры и сулит экономический выигрыш как непосредственно на этапе производства, так и последующей эксплуатации изделий. Сами материалы отвечают требованиям коммерческих и военных стандартов и могут применяться практически в любой области: от бытовых устройств до военной техники.

Большинство технологических процессов изготовления печатных плат с металлическим основанием, таких как травление, нанесение защитной маски, нанесения защитного металлического покрытия (HASL), маркировка, аналогичны процессам изготовления традиционных плат из FR-4 и отличаются только режимами механической обработки контура и сверловки.

Печатные платы на металлическом основании не ограничиваются применением для мощных светодиодов и могут так же использоваться в любом изделии, где важен теплоотвод и габариты. Применение таких плат существенно упрощает проектирование радиоэлектронных устройств, особенно высокомощных, поскольку отвод тепла перестает существенно зависеть от взаимного расположения элементов и свободной площади платы вокруг них: теплота рассеивается через подложку. Исчезает необходимость в дополнительных теплоотводах — радиаторах, шинах и т. п. В итоге возрастает степень интеграции элементов на плате, снижаются ее габариты.

Печатные платы с металлическим основанием имеют много преимуществ по сравнению с обычными платами:

♦ рассеивают тепло без использования дополнительных радиаторов, специальных теплопроводящих паст;

♦ снижают/устраняют необходимость в вентиляторах принудительного воздушного охлаждения;

♦ добавляют механическую жесткость изделию;

♦ повышают степень интеграции элементов высокомощной аппаратуры, работающей с большими токами и напряжениями при высокой рабочей температуре;

♦ уменьшают эффект теплового стресса всех компонентов, тем самым увеличивая продолжительности жизни элементов и долговечности изделия.

Охлаждающие свойства таких плат позволяют проще организовать отвод тепла, что благоприятно сказывается на себестоимости изделий. За счет любой конфигурации контура плат, позволяют значительно сэкономить место в устройстве. Платы имеют отличные характеристики по электромагнитной совместимости и экранированию. Использование таких плат, улучшает надежность устройств, наработку на отказ.

Возможность объединения на одной печатной плате множества светодиодов, монтаж компонентов с помощью стандартных автоматизированных технологий пайки, малая теплоотдача — все это в комплексе позволяет создавать компактные высокоэффективные источники света.

Обычно используется от пяти до многих десятков светодиодов. Это полупроводниковые приборы, преобразующие электрический ток в световое излучение. Любой светодиод состоит из не проводящей ток подложки, на которую уложен полупроводниковый кристалл. Оба этих элемента заключены в корпус с выводами контактов с одной и линзой из пластика с другой стороны.

Свободное пространство между линзой и кристаллом заполнено бесцветным силиконом , конструкция светодиода закреплена на алюминиевом основании, отводящем тепло и придающем светодиоду большую жесткость.

От качества светодиодов зависит световой поток, генерируемый ими. При построении лампы на дешевых светодиодах ее светоотдача понижается до максимальных 100 лм/Вт и становится равной люминесцентным лампам, т. е. утрачивается важное преимущество светодиодной лампы.