PCB à support en aluminium: amélioration de la puissance et des performances des LED

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Les diodes électroluminescentes (DEL) ont révolutionné l'éclairage grâce à leur efficacité énergétique et à leur longue durée de vie, mais leur performance dépend d'un facteur essentiel: la gestion de la chaleur.Les LED ne convertissent que 20 à 30% de l'énergie en lumière, le reste en chaleur.Sans dissipation efficace, cette chaleur s'accumule, réduisant la luminosité, la température de couleur et réduisant la durée de vie de 50% ou plus.les héros méconnus des systèmes LED hautes performancesConçus pour retirer la chaleur des puces LED et la disperser efficacement, ces PCB spécialisés permettent des produits LED plus lumineux, plus fiables et plus durables.Ce guide explore comment les PCB à support en aluminium améliorent les performances des LED, leurs nuances de conception, et pourquoi ils sont devenus indispensables dans l'éclairage moderne.

Les principaux enseignements
1Les PCB à support en aluminium réduisent les températures de jonction des LED de 20 à 40 °C par rapport aux PCB FR4 standard, ce qui prolonge la durée de vie des LED de 30 000 à 50 000 heures et plus.
2Ils permettent des densités de puissance 30 à 50% plus élevées dans les luminaires LED, ce qui permet une sortie plus lumineuse (par exemple, 150lm/W par rapport à 100lm/W avec FR4).
3.La conductivité thermique des PCB à support en aluminium (1 5 W/m·K) est supérieure de 5 25 fois à celle du FR4 standard (0,2 0,3 W/m·K), ce qui est essentiel pour les LED de haute puissance (10 W+).
4Les facteurs de conception tels que l'épaisseur de la couche diélectrique, le poids du cuivre et la taille du noyau en aluminium ont un impact direct sur les performances thermiques.

Quels sont les PCB à support en aluminium pour les 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 baseContrairement aux PCB FR4 standard, qui agissent comme isolants thermiques, les PCB à support en aluminium fonctionnent à la fois comme conducteurs électriques et comme dissipateurs de chaleur.

Structure des couches
a.Cœur en aluminium: couche la plus épaisse (0,8 ∼3,0 mm), en alliage d'aluminium (typiquement 1050 ou 6061) choisie pour sa conductivité thermique (180 ∼200 W/m·K) et son rentabilité.
b. couche diélectrique thermique:Une couche d'époxy ou de silicone remplie de céramique de 50 ‰ 200 μm avec une conductivité thermique élevée (1 ‰ 5 W/m·K) qui isole électriquement le cuivre de l'aluminium tout en transférant de la chaleur.
c. Couche de circuit en cuivre: traces de cuivre de 1 ̊3oz (35 ̊105 μm) qui relient les LED et les composants, avec du cuivre plus épais (2 ̊3 oz) utilisé pour les circuits à courant élevé dans les appareils à forte consommation d'énergie.

Comment les PCB à support en aluminium améliorent les performances des LED
Les LED sont très sensibles à la température, et même de petites augmentations de la température de jonction (Tj) dégradent les performances:
a. La luminosité diminue de ~ 2% par élévation de °C.
b. changements de température de couleur (par exemple, LED blanches fraîches devenant bleues).
c. La durée de vie diminue de façon exponentielle (selon l'équation d'Arrhenius, une augmentation de 10 °C Tj réduit de moitié la durée de vie).
Les circuits imprimés en aluminium résolvent ce problème en créant un chemin thermique direct de la puce LED au noyau en aluminium, atténuant ces problèmes.

1Températures de jonction inférieures
a.Chemin de transfert de chaleur: lorsqu'une LED fonctionne, la chaleur circule de la puce à travers sa plaque de soudure vers la couche de cuivre, à travers le diélectrique et dans le noyau en aluminium, qui se répand et se dissipe.
b.Impact dans le monde réel: une LED de 10 W sur un PCB en aluminium atteint un Tj de 65 °C, contre 95 °C sur le FR4 standard, ce qui prolonge la durée de vie de 30 000 à 60 000 heures.

2Une plus grande densité de puissance.
a.Les PCB à support en aluminium permettent d'empiler plus de LED ou de puces de plus grande puissance dans le même espace.
Un circuit imprimé en aluminium de 100 mm × 100 mm peut alimenter seize LED de 5 W (80 W au total) sans surchauffe.
Le même PCB FR4 de taille est limité à huit LED de 5 W (40 W au total) pour éviter les pannes thermiques.

3- Une sortie lumineuse constante.
Des températures stables empêchent les fluctuations de luminosité et les changements de couleur.Une étude réalisée par le ministère de l'Énergie a révélé que les luminaires LED utilisant des PCB en aluminium maintenaient 90% de leur luminosité initiale après 5 minutes., 000 heures, contre 70% pour les luminaires à base de FR4.

4Réduction des coûts du système
En intégrant le dissipateur de chaleur dans le PCB, les conceptions à support en aluminium éliminent le besoin de dissipateurs de chaleur séparés, réduisant les coûts de matériaux et d'assemblage de 15 à 30%.une lampe à haute vitesse à LED de 100 W utilisant un PCB supporté en aluminium coûte (5 ¢) 10 moins cher qu'une conception FR4 avec dissipateur de chaleur supplémentaire.

Les PCB à support d'aluminium et les PCB FR4 dans les applications LED
L'écart de performance entre les PCB en aluminium et les PCB FR4 dans les systèmes LED est énorme:

Considérations de conception pour les circuits imprimés LED à support en aluminium
L'optimisation des circuits imprimés en aluminium pour les LED nécessite un équilibre entre les performances thermiques, les besoins électriques et le coût:
1. Sélection de la couche diélectrique
La couche diélectrique est le pont entre le cuivre et l'aluminium.
   a. Conductivité thermique:Pour les LED à haute puissance, 3 ‰ 5 W / m · K (par exemple, des époxy remplis de céramique comme Bergquist Thermagon).
   b.Épaisseur:Les diélectriques plus minces (50 à 100 μm) transfèrent mieux la chaleur mais réduisent l'isolation électrique.
  c.Tensions nominales:S'assurer que le diélectrique répond ou dépasse la tension du système LED (par exemple, 2 kV pour les luminaires à courant alternatif de 120 V).

2. Conception de la couche de cuivre
  a.Poids:Utilisez du cuivre de 2 ̊3 oz pour les chemins à courant élevé (par exemple, les panneaux LED dessinant 5A +).
   b. Largeur de la trace:Les traces d'alimentation des LED doivent avoir une largeur ≥ 0,5 mm pour un courant de 1 A afin de minimiser le chauffage résistif.
  c.Taille du tampon:Les plaquettes thermiques LED (le cas échéant) doivent correspondre à la taille de la plaque de PCB (généralement 2 ∼ 5 mm2) pour maximiser le transfert de chaleur de la LED vers le cuivre.

3. Spécifications du noyau en aluminium
  a.Épaisseur:Les cœurs plus épais (2,0 ∼3,0 mm) dissipent mieux la chaleur pour les LED de haute puissance (50 W +).
  b.Surface:Un noyau de 200 mm × 200 mm peut dissiper passivement 100 W, tandis qu'un noyau de 100 mm × 100 mm peut avoir besoin d'un dissipateur de chaleur pour la même puissance.
  c. Type d'alliage:L'aluminium 6061 (180 W/m·K) offre une meilleure conductivité thermique que 1050 (200 W/m·K), mais est légèrement plus cher.

4. Placement et routage des LED
  a.Espace égal:Les LED spatiales sont séparées par ≥ 5 mm pour éviter que les hotspots ne se chevauchent.
  b.Via thermique:Ajouter des voies (0,3 ∼0,5 mm) sous de grands emballages LED pour transférer la chaleur de la couche de cuivre vers le noyau en aluminium, réduisant Tj de 5 ∼10 °C.
  c.Éviter les pièges à chaleur:Les traces de route s'éloignent des plaquettes LED pour éviter de bloquer le flux de chaleur vers le noyau en aluminium.

Applications: où les PCB à support en aluminium brillent
Les PCB à support en aluminium sont essentiels dans les systèmes LED où les performances et la fiabilité comptent le plus:
1Éclairage commercial et industriel
Éclairage à haute intensité: les luminaires de 100 ∼ 300 W dans les entrepôts et les usines reposent sur des circuits imprimés en aluminium pour gérer plusieurs LED de 10 W +.
Street Lights: Les luminaires extérieurs exposés à des températures extrêmes utilisent des noyaux en aluminium pour maintenir leurs performances dans des environnements de -40 °C à 60 °C.

2Éclairage automobile
Feux LED: 20 à 50 W par phare, avec des PCB en aluminium pour assurer la fiabilité sous le capot (100 °C +).
Éclairage intérieur: Même les petites lumières à dôme utilisent des PCB minces en aluminium pour prévenir la surchauffe dans les espaces fermés.

3- Éclairage spécialisé
Lumières de culture: les systèmes de 200 ‰ 1000 W avec des panneaux LED denses nécessitent une dissipation thermique maximale pour maintenir des spectres lumineux constants pour la croissance des plantes.
Éclairage de scène: Les têtes mobiles à haute puissance (50 ‰ 200 W) utilisent des PCB à support en aluminium pour gérer des cycles d'allumage/arrêt rapides sans stress thermique.

4Électronique de consommation
Bandes LED: Les bandes à haute densité (120 LED/m) utilisent des PCB minces supportés par de l'aluminium pour éviter une surchauffe dans des espaces restreints (par exemple, sous les armoires).
lampes de poche: Les lampes de poche compactes à haute lumen (1000+ lm) reposent sur des noyaux en aluminium pour refroidir les LED de 5 à 10 W dans de petits boîtiers.

Test et validation des PCB à LED
Pour s'assurer qu'un PCB supporté d'aluminium fonctionne comme prévu, des essais spécialisés sont nécessaires:
1. Résistance thermique (Rth)
a. Mesure l'efficacité du flux de chaleur de la jonction LED vers le noyau en aluminium.
b.Méthode d'essai: utiliser une caméra thermique pour mesurer les différences de température entre la plaque LED et le noyau en aluminium sous alimentation constante.

2Température de jonction (Tj)
a.Vérifier que la Tj reste inférieure à la puissance maximale des LED (généralement 125 °C pour les LED commerciales).
b.Méthode d'essai: utiliser un thermocouple fixé à la plaque thermique des LED ou déduire Tj des variations de tension vers l'avant (par feuille de données LED).

3Simulation de la durée de vie
a.Circulation thermique accélérée (de -40°C à 85°C) pendant plus de 1 000 cycles pour tester la délamination entre couches, un mode de défaillance courant dans les PCB mal fabriqués.

4Stabilité de la sortie lumineuse
a. Maintenance de la luminosité de la voie (L70) pendant 1 000 heures de fonctionnement. Les PCB à support en aluminium doivent conserver ≥ 95% de la luminosité initiale, contre 80 ∼ 85% pour le FR4.

Des mythes et des idées fausses
Mythe: Tous les PCB à support en aluminium fonctionnent de la même façon.
Fait: le matériau diélectrique et l'épaisseur, le poids du cuivre et la qualité de l'aluminium créent des différences significatives.alors qu'une version de 5 W/m·K fonctionne 10 fois mieux.

Mythe: Les PCB à support en aluminium sont trop chers pour les produits de consommation.
Fait: pour les LED haute puissance, leur coût est compensé par une réduction des besoins en dissipateur de chaleur et une durée de vie plus longue.

Mythe: Les noyaux en aluminium plus épais sont toujours plus performants.
Fait: les rendements diminuant s'appliquent: passer d'un aluminium de 1 mm à 2 mm d'épaisseur réduit le Tj de 10°C, mais de 2 mm à 3 mm ne le réduit que de 3°5°C.

Questions fréquemment posées
Q: Les PCB à support en aluminium peuvent-ils être utilisés avec des LED RVB?
R: Oui, elles sont idéales pour les LED RVB, qui sont sujettes à des changements de couleur sous la chaleur.

Q: Y a-t-il des circuits imprimés souples avec support en aluminium pour les luminaires à LED courbes?
R: Oui, les versions flexibles utilisent des noyaux d'aluminium minces (0,2 à 0,5 mm) et des diélectriques flexibles (par exemple, du silicone) pour des applications incurvées telles que les bandes LED dans l'éclairage des criques.

Q: Combien coûte un PCB supporté par de l'aluminium par rapport au FR4?
R: 1,5 à 2 fois plus pour la même taille, mais le coût total du système (PCB + dissipateur de chaleur) est souvent inférieur en raison de l'élimination des coûts des dissipateurs de chaleur dans les conceptions à haute puissance.

Q: Quelle est la puissance LED maximale qu'un PCB à support en aluminium peut supporter?
R: Jusqu'à 500W+ avec un grand noyau en aluminium (300 mm × 300 mm) et un refroidissement actif (ventilateurs).

Q: Les PCB supportés par de l'aluminium nécessitent-ils une soudure spéciale?
R: Les profils de reflux SMT standard ne fonctionnent pas, bien qu'une masse thermique plus élevée puisse nécessiter des temps de trempage légèrement plus longs (30 à 60 secondes à 245 °C) pour assurer de bonnes joints de soudure.

Conclusion
Les circuits imprimés en aluminium ont transformé la technologie LED, permettant les luminaires à haute puissance et durables qui définissent l'éclairage moderne.Ils débloquent des sorties plus lumineuses, des performances plus stables et une durée de vie plus longue tout en simplifiant la conception et en réduisant les coûts du système.
Pour les ingénieurs et les fabricants, la compréhension des nuances de la conception de circuits imprimés supportés par de l'aluminium, de la sélection diélectrique au dimensionnement du noyau en aluminium, est essentielle pour maximiser les performances des LED.Si vous construisez un projecteur de 10 W ou un luminaire industriel de 500 W, ces PCB spécialisés ne sont plus une option mais une nécessité pour les produits LED compétitifs et fiables.
Alors que les LED continuent de repousser les limites de l'efficacité et de la puissance, les PCB à support en aluminium resteront leur partenaire essentiel, garantissant que la lumière qu'ils produisent est aussi durable que lumineuse.