Teplo z desky odvede hliník. U MCPCB je jejich součástí

Jan Robenek, 15. Leden 2014 - 0:00

Při používání LED s výkonem zhruba do 0,5 W lze konstrukčně i elektricky vystačit s nosnou podložkou pro diody ve formě plošného spoje na bázi standardního materiálu, např. FR4. I při těchto relativně malých výkonech je však třeba řešit otázku teplotního magementu provozu LED a zajistit, aby během jejich činnosti nebyla překročena maximální teplota čipu.

Problém bude o to palčivější, obsahuje-li náš design velké množství LED s vysokou hustotou osazení. Při návrhu plošných spojů proto musíme dbát určitých zásad tak, aby se diody za provozu nepřehřívaly.

Při svícení bílé POWER LED, s napětím v propustném směru cca 3,3 V a při obvyklých provozních proudech 350 mA, resp. 700 mA, vzniká v jejím pouzdře formou tepla ztrátový výkon přibližně 1 W, resp. 2,5W, který bude třeba přívody LED a dalším chladicím systémem odvést do okolního prostředí. Teplota čipu zároveň nesmí přesáhnout +145 °C (LED Cree, typ XR-E) – případné přehřívání diody by pak mělo za následek výrazné zkrácení její životnosti.

Při provozu osvětlovacích diod POWER LED se v pouzdře diody uvolňuje poměrně velké množství tepla (v případě LED Cree XM-L je to až 8 W), které je třeba přívody LED, podložkou a dalším chladicím systémem odvést do okolí

Jednoduchým a elegantním řešením, které vedle mechanického připevnění LED k podložce a elektrického připojení zajistí rovněž vynikající přenos ztrátového tepla do chladiče, je použití hliníkových plošných spojů, tzv. MCPCB (Metal Core Printed Circuit Board).

U tohoto typu plošného spoje se nosnou podložkou stává hliníkový plát, zatímco elektrickou izolaci mezi podložkou a „kresbou“ plošných spojů tvoří tenká vrstva izolačního materiálu. Hliník zajistí nejen dobrou distribuci tepla od jednotlivých bodových tepelných zdrojů v rámci plošného spoje, ale svou plochou působí sám jako chladič, na který lze velmi snadno, mechanicky a s malým tepelným odporem, připevnit další chladicí systém.

Celkový tepelný odpor má tři složky: tepelný odpor mezi čipem LED a jejími pájecími ploškami (dáno konstrukcí diody, hodnota je určující při rozhodování o tom, jaký typ LED ve svítidle použít), tepelný odpor mezi pájecími ploškami diody a chladičem (pro maximální snížení je třeba dbát při návrhu plošného spoje určitých zásad a nejlépe použít plošný spoj s hliníkovým jádrem, MCPCB) a konečně tepelný odpor mezi chladičem a okolním prostředím (problematika návrhu samotného chladiče je velmi rozsáhlá, pro sériovou výrobu je vhodné koncipovat chladicí systém jako součást designu svítidla)

K dispozici je celá řada standardizovaných hliníkových plošných spojů MCPCB pro mnohé typy POWER LED Cree, s různým počtem diod na desce plošného spoje, různých tvarů a pro nejrůznější účely. Jako základní materiál se využívá Berquist. Přehled standardních plošných spojů MCPCB naleznete v příloze níže. Vyloučen pochopitelně není ani vývoj hliníkových plošných spojů na zakázku, přesně dle konkrétních požadavků vývojáře. Cenově výhodnou alternativou hliníkových plošných spojů se v případě méně náročných zapojení zase stává oboustranný plošný spoj s velkým množstvím prokovených otvorů a bezpotenciálovou chladicí plochou na své rubové straně.

Ukázka hliníkových plošných spojů pro POWER LED Cree

Společnost Cree, Inc. (http://www.cree.com/) se v současné době nachází na špici v oblasti vývoje a výroby polovodičových substrátů na bázi SiC a GaN, LED čipů, LED diod a souvisejících osvětlovacích řešení. Založena byla v roce 1987 v USA v Severní Karolíně, kde je také registrovaná a kde se v Durhamu nachází její administrativní, správní a obchodní centrum. Výrobní kapacity firmy jsou situovány v USA, Hongkongu a také Číně.

Disponuje sítí divizních poboček a regionálních zastoupení a v Evropě své produkty prodává prostřednictvím sítě autorizovaných distributorů. Jedním z nich je též brněnská společnost TRON ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY, s.r.o. (www.tron.cz, zdroj).

Přílohy: