CC BY
42
DOI 10.25987^т2019.15.3Ш3 УДК 621.382.2
МЕТОДИКА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ С МОЩНЫМИ СВЕТОДИОДАМИ
А.С. Кушнарёв, О.Ю. Макаров
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: в настоящее время в радиоэлектронных устройствах соответствующего назначения (светотехнические, сигнальные и т.д.) широкое применение находят мощные светодиоды, которые характеризуются значительным тепловыделением, при этом особенности их конструкции и установки в устройствах (обеспечение открытого доступа к излучаемой поверхности) значительно усложняют реализацию эффективного теплоотвода от таких элементов. Современные подходы к упрощению их конструкции, например разработка бескорпусных вариантов, также требуют новых решений для обеспечения нормального теплового режима. Во многом главной проблемой является эффективность отвода тепла от светодиода на внешний радиатор через печатную плату. Поэтому следует использовать печатные платы на алюминиевом основании, в которых важную роль играет слой диэлектрика. От этого слоя зависит эффективность переноса тепла от светодиода на основание печатной платы, поэтому многие производители используют разные материалы в качестве диэлектрика. Так появилась новая технология, называемая алюмооксидной. Рассматриваются задачи анализа и обеспечения теплового режима для бескорпусных мощных светодиодов в осветительных устройствах. Приведены примеры теплового моделирования печатных плат с использованием различных материалов в качестве диэлектрика
Ключевые слова: светодиод, печатные платы, диэлектрик, моделирование
Введение
В настоящее время в связи с миниатюризацией электронных устройств, растущим тепловыделением отдельных компонентов появляется необходимость в более эффективных методах теплоотвода. Одним из наиболее широко используемых и экономичных способов является установка радиатора на перегревающийся компонент (или компонента на радиатор), что увеличивает площадь лучистого и конвекционного обмена. Но эффективность теплоотвода будет зависеть от величины контактного теплового сопротивления корпус-радиатор Rт к-р [1].
В связи с особенностью конструкции и применения светодиодов, а именно, необходимостью обеспечить открытый доступ к излучаемой поверхности, возникают сложности с применением традиционных и распространенных способов и устройств теплоотвода. К тому же вследствие особенности конструкции проблематично обеспечить низкое значение Rт к-р чисто механическим путем, как это делается для других мощных компонентов в металлических и пластмассовых корпусах (транзисторы, диоды, тиристоры и т.д.). Поэтому актуальной является задача применения других методов и средств теплоотвода в устройствах с использованием мощных светодиодов.
Перспективным в этом случае способом, связанным с развитием современных технологий конструирования и изготовления печатных плат (ПП), является использование плат на материале с высокой теплопроводностью. В подавляющем большинстве случаев это металлические пластины, ламинированные через слой диэлектрика медной фольгой. Данный способ, позволяющий также дополнительно улучшать тепловой режим и путем изменения топологии платы, является наиболее целесообразным и будет рассмотрен в качестве основного.
Конструкция современных и перспективных светодиодов
На данный момент одним из главных направлений применения светодиодов - освещение с использованием мощных и, соответственно, тепловыделяющих компонентов [1].
Для мощных светодиодов одним из важнейших параметров является значение теплового сопротивления. На рис. 1 показано развитие конструкции светодиодов исходя из их теплового сопротивления. Чем выше мощность све-тодиода, тем меньшим тепловым сопротивлением должна обладать его конструкция.
© Кушнарёв А.С., Макаров О.Ю., 2019
Рис. 1. Тепловое сопротивление различных корпусов светодиодов
В данной работе в качестве таких современных компонентов рассматривались свето-диоды фирмы южнокорейской компании Seoul Semiconductor, которая запустила производство светодиодов семейства WICOP (Wafer Level Integrated Chip on PCB) [2]. Компания развила технологию полупроводниковых компонентов, что позволило выращивать структуру светодиода на прозрачной основе из искусственного сапфира (рис. 2). Благодаря этому появилась возможность уменьшить толщину n-слоя и разместить оба электрода на стороне, обращенной к монтажной плате [2]. В итоге излучение идет главным образом через лицевую поверхность чипа, хотя свечение боковых поверхностей также присутствует, но отражателя для него не предусмотрено.
моделирования. Затем расчет теплового режима, если условия технического задания выполнены, то считается, что поставленную задачу решить удалось, в противном случае необходим анализ результатов и повторное моделирование с новыми параметрами.
Рис. 3. Алгоритм обеспечения теплового режима компонентов
ттт
Г. j 1
Рис. 2. Структура светодиода WICOP2 от фирмы Seoul Semiconductor
Методика обеспечения тепловых режимов
На основе проведенного анализа была предложена методика обеспечения нормальных тепловых режимов устройств с применением мощных бескорпусных светодиодов, которая включает в себя следующие этапы:
- выбор материалов и конструкции печатной платы;
- разработку топологии платы с учетом тепловых критериев;
- моделирование температурных полей.
Алгоритм методики представлен на рис. 3.
Он включает в себя следующие основные этапы: анализ требований ТЗ, после разработка SD-модели устройства и задание условий
Выбор материалов
В качестве объекта проектирования и исследования рассматривалась печатная плата на алюминиевом основании с различными материалами в качестве диэлектрического слоя. Данная печатная плата используется в осветительном устройстве мощностью до 90 Вт. Такой мощности удается добиться за счет компактной установки нескольких светодиодов. В качестве корпуса, а также и радиатора, используется алюминиевый экструзионный профиль. Данные осветительные устройства эксплуатируются в умеренно холодном климате (УХЛ), что накладывает определенные сложности при работе устройства при температуре выше +300С, так как нагревается корпус еще и от солнечного света.
Ввиду дешевизны и хороших теплопроводных свойств чаще всего используются платы на алюминиевом основании. Нужный материал выбирается в зависимости от требуемых характеристик. Самыми используемыми являются такие алюминиевые сплавы [3]:
- 1100 (отечественный аналог сплав АД) -этот материал обладает хорошей теплопроводностью (220 Вт/мК) из-за небольшого количества примесей, также он пластичен. К недостаткам данного материала можно отнести вязкость и невысокую механическую прочность, что ухудшает механическую обработку контура печатной платы.
- 5052 (отечественный аналог сплав АМг2,5) - наиболее используемый материал, несмотря на меньшую теплопроводность (140 Вт/мК), зато этот материал хорошо обрабатывается и имеет низкую стоимость.
- 6061 (отечественный аналог сплав АД33) - данный сплав обладает повышенной механической прочностью и применяется, когда требуется высокая коррозийная стойкость. Недостатком является высокая стоимость относительно рассмотренных материалов.
В случаях, когда требуется очень высокая теплопроводность, то используют в качестве металлического основания медь (390 Вт/м К), но у данного материала имеются трудности механической обработки фрезерованием из-за высокой вязкости, а также очень высокая цена.
Также влияние оказывает и толщина алюминиевого основания. Например, в зависимости от разной толщины будет изменяться параметр теплового сопротивления. На рис. 4 показана зависимость теплового сопротивления от толщины алюминиевого основания с диэлектрическим слоем из материала НА 50 Туре 1
[4].
(Алюминий 5052), материал НА50Туре 1 14,00 т-
12,00----
10,00-- - -
§ а,оо —
-8 б.оо-- - - - -
о
4,00--
2,00--
0,00 -I---,---,---,---
2,0 мм 1,5 мм 1,0 мм 0,3 мм
Толщина основания
Рис. 4. Зависимость теплового сопротивления от толщины алюминиевого основания
Как видно из рис. 4, при меньшей толщине основания уменьшается и тепловое сопротивление, следовательно, лучше происходит перенос тепла с печатной платы на радиатор.
Между металлическим основанием и медной фольгой находится слой диэлектрика толщиной от 18 до 350 мкм. На практике чаще все-
го используются материалы с толщиной 75-100 мкм. В качестве диэлектрика могут быть использованы [3]:
- препреги FR4 (стеклоткань с эпоксидным связующим);
- препреги на основе стеклоткани и эпоксидной смолы с теплопроводящим наполнителем;
- теплопроводящие композитные материалы;
- полиамид.
Свойства готового материала и, соответственно, печатной платы в значительной мере зависят от свойств диэлектрика. Наиболее экономичным и доступным решением являются препреги FR4, однако обладают низкой теплопроводностью. Толщина такого диэлектрика составляет 75 мкм, а тепловое сопротивление около 1,42 К/Вт.
Для решения проблемы отвода тепла применяют специальные теплопроводящие материалы из полимеров на основе керамики, толщина такого слоя диэлектрика находится в пределах от 75 мкм до 150 мкм, а тепловое сопротивление равняется от 0,45 К/Вт до 1,0 К/Вт.
Компания «Резонит» изготавливает платы с теплопроводящим материалом Т111 и Т112 компании То1к^, а также НА50-Туре3 и НА50-Туре4 от компании 2Ье_)1а^ Ниа22Ье^
[3].
Кроме того, недавно появилась новая технология, называемая алюмооксидной. Подложки, произведенные по алюмооксидной технологии, состоят из двух основных частей: проводящих слоев алюминия и/или меди и диэлектрического материала, имеющего нанопористую структуру (рис. 5).
^^диэлекгрик оксид алюминия
алюминий
Рис. 5. Структура печатной платы с оксидированием алюминия
Именно благодаря этому слою диэлектрика удалось достигнуть высокой теплопроводности более 120 Вт/(мК), что значительно превышает показатели стандартных печатных плат с металлическим основанием (МСРСВ), где теплопроводность, как правило, составляет 1 -2
Вт/(м К). Благодаря высокой теплопроводности возможно увеличение плотности монтажа компонентов при сохранении требуемой температуры и производительности [5].
Математическая модель
У современных светодиодов КПД имеет значение около 30-40%, то есть получается, что 60-70% потребляемой мощности преобразуется в тепло [6].
Мощность, которую требуется рассеивать, можно рассчитать по формуле:
Р=0,75 ■ Vf ■ If, (1)
где Pt - тепловая мощность (Вт);
Vf - прямое падение напряжения на светодиоде (В);
If - ток через светодиод (А).
Систему охлаждения светодиодов можно представить в виде эквивалентной схемы последовательно и параллельно подключенных тепловых сопротивлений. В качестве примера для составления эквивалентной цепи можно использовать матрицу из n светодиодов, установленных на печатной плате, которая прикреплена к радиатору (рис. 6).
Рис. 6. Эквивалентная схема тепловых сопротивлений
В данном случае эквивалентная схема будет состоять из п тепловых сопротивлений. Первое это «переход светодиода - контакт» (на схеме обозначены как Qj_sp), соединенных параллельно. Второе состоит из п тепловых сопротивлений «контакт - печатная плата» ^¡¡р-рсЬ). Также необходимо учесть тепловые сопротивления между печатной платой и теплопро-водящим материалом ^рсь-йт), между тепло-проводящим материалом и радиатором и, наконец, между радиатором и окружающей средой ^ь-а). В любом месте этой эквивалентной схемы температуру можно измерить раз-
личными методами, к примеру, в точке Theat smk можно измерить температуру радиатора.
Для светильника из одного светодиода, установленного на печатную плату и на радиатор, тепловое сопротивление всех систем охлаждения высчитывается по следующей формуле:
sp-pcb+Qpcb-tim+Qtim-hs+Qhs-a (2)
Из формулы 2 следует, что чем меньше значение полного теплового сопротивления, тем лучше тепло отводится от светодиода.
Иногда значение температуры не известно, но известна теплопроводность используемых материалов, тогда для нахождения теплового сопротивления можно воспользоваться формулой [1]:
& = Ts , (3)
где h - толщина теплопроводящего слоя,
м;
X - коэффициент теплопроводности,
Вт/мК;
S - площадь области теплообмена, м2.
Моделирование
Моделирование проводилось в системе инженерного анализа SolidWorks, которая позволяет провести детальное построение и анализ 3Б-модели, а также в полной мере промоделировать тепловые нагрузки. Основной задачей моделирования было сравнение теплопро-водящих материалов.
Во-первых, анализировалась работа 4 све-тодиодов с расстоянием между ними 0,3 мм (рис. 7). Тепловое сопротивление между свето-диодом и проводящим слоем меди равно 3 К/Вт, данное значение указывает производитель светодиодов. Тепловое сопротивление диэлектрика Т111 между слоем медного проводника и алюминием 1,42 К/Вт.
Рис. 7. Расстояние между светодиодами 0,3 мм
При расстоянии между светодиодами 0,3 мм полученная при моделировании максимальная температура составляет 404,9 °С на свето-диоде, а самая удаленная точка от теплового элемента является также самой холодной и равняется 151 °С.
Рис. 8. Расстояние между светодиодами 0,8 мм
При задании расстояния между светодио-дами 0,8 мм максимальная температура составляет 394 °С на светодиоде, а самая удаленная точка от теплового элемента является также самой холодной и равняется 151 °С (рис. 8).
Рис. 9. Расстояние между светодиодами 2 мм
Для сравнения рассматривалось расстояние между светодиодами 2,0 мм, и тогда максимальная температура составила 380 ° на светодиоде, а самая удаленная точка от теплового элемента является также самой холодной и равняется 151 °С (рис. 9).
Рассмотрим, как влияет изменение параметром слоя диэлектрика при изменении значения теплового сопротивления между медным проводником и алюминиевым основанием с 1,42 К/Вт на 0,7 К/Вт, такое значение имеет материал Т112. Толщина меди 35 мкм, расстояние между светодиодами 0,8 мм.
При изменении материала диэлектрика на Т112 максимальная температура на светодио-дах уменьшилась на 50 градусов по сравнению с материалом Т111, который имеет тепловые параметры хуже (рис. 10).
Рис. 10. Моделирование с диэлектриком Т112
Также моделировалась температурная зависимость для материала на алюмооксиде, теплопроводность данного материала составляет 12 Вт/мК, а тепловое сопротивление 0,05 К/Вт.
Рис. 11. Влияние на температуру диэлектрика на основе алюмооксида
При задании параметров материала диэлектрика на основе алюмооксида максимальная температура на светодиодах уменьшилась в 2 раза по сравнению с материалом Т111 (рис. 11).
По результатам моделирования получается, что новая алюмооксидная технология для печатных плат очень перспективна в радиоэлектронной отрасли при построении устройств с теплонагруженными компонентами. С помощью такого диэлектрика можно добиться высоких результатов в отводе тепла от мощных компонентов, которые с каждым годом становятся только мощнее и, соответственно, с большим количеством выделяемого тепла.
Заключение
Применение предложенной методики показало эффективность использования как печатных плат на алюминиевом основании, так и использование диэлектрика на теплопроводящем материале. Кроме того, использование печатных плат, изготовленных по алюмооксидной технологии, позволяет снизить температуру в 2-3 раза.
Использование предлагаемого подхода (материал платы плюс изменение топологии) и анализ полученных результатов позволят повысить эффективность и качество теплового проектирования соответствующих радиоэлектронных устройств.
Литература
1. Что такое светодиоды и их разновидности: Электр. дан. Режим доступа: http://elwo.ru/publ/svetodiody/
2. Королев Г. ШСОР2 - революционная технология бескорпусных светодиодов // Ьитеп&БхрегШпюп. 2015. № 7.
3. Справочник инженера-конструктора. М.: ООО «Резонит», 2001. 44 с.
4. Максимов А.Е. Сравнительное исследование теп-лопроводящих свойств материалов для печатных плат на
алюминиевом основании // Полупроводниковая светотехника: сб. М., 2013. С. 67-70.
5. Алюмооксидная технология производства печатных плат: Электр. дан. Режим доступа: http://rusalox.ru.
6. Андреас Поль. Особенности расчета систем отвода тепла при использовании светодиодов в корпусах PLCC // Полупроводниковая светотехника: сб. М., 2010. № 5. С. 54-57.
7. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высш. шк., 1984. 247 с.
8. Прохоренко В.П. Solid Works. Практическое руководство. М.: Бином-пресс, 2006. С.512.
Поступила 09.04.2019; принята к публикации 07.06.2019 Информация об авторах
Кушнарёв Александр Сергеевич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
Макаров Олег Юрьевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
METHODOLOGY OF OPTIMIZING THERMAL REGIMES OF RADIOELECTRONIC DEVICES
WITH POWERFUL LED
A.S. Kushnaryev, O.Yu. Makarov
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: nowadays, high-power LEDs are widely used in electronic devices of the appropriate purpose (lighting, signaling, etc.), which are characterized by considerable heat generation, while the features of their design and installation in devices (ensuring open access to the radiated surface) make it difficult to remove heat from such elements. Modern approaches to simplify their design, such as the development of unpackaged options, also require new solutions to ensure a normal thermal regime. In many ways, the main problem is the efficiency of heat removal from the LED to the external radiator, through a printed circuit board. Therefore, one should use printed circuit boards on an aluminum base, in which the dielectric layer plays an important role. In many ways, the efficiency of heat transfer from the LED to the base of the printed circuit board depends on this layer; therefore, many manufacturers use different materials as dielectric. So a new technology, called alumina, appeared. This article discusses the problem of analyzing and providing thermal conditions for unpackaged high-power LEDs in lighting devices. Examples of thermal modeling of printed circuit boards using various materials as dielectric are given
Key words: LED, printed circuit boards, dielectric, modeling
References
1. "What are LEDs and their varieties" ("Chto takoe svetodiody i ikh raznovidnosti"), available at: http://elwo.ru/publ/svetodiody/
2. Korolev G. "WICOP2 - the revolutionary technology of unpackaged LEDs", Lumen&ExpertUnion, 2015, no. 7.
3. "Reference book of an engineer designer" ("Spravochnik inzhenera konstruktora"), Moscow, LtD «Rezonit», 2001, 44 p.
4. Maksimov A.E. "Comparative study of the heat-conducting properties of materials for printed circuit boards on an aluminum base", Semiconductor lighting engineering: coll. papers (Sb. poluprovodnikovaya svetotekhnika), Moscow, 2013, pp. 67-70.
5. "Aluminum oxide production technology of printed circuit boards" ("Alyumooksidnaya tekhnologiya proizvodstva pechatnykh plat"), available at: http://rusalox.ru.
6. Paul A. "Features of the calculation of heat removal systems when using LEDs in PLCC packages", Semiconductor lighting engineering: coll. papers (Sb. poluprovodnikovaya svetotekhnika), Moscow, 2010, no. 5, pp. 54-57.
7. Dul'nev G.N. "Heat and mass transfer in electronic equipment" ("Teplo- i massoobmen v radioelektronnoy apparature"), Moscow, Vyssh. shk., 1984, 247 p.
8. Prokhorenko V.P. "Solid Works", Moscow, Binom-press, 2006, 512 p.
Submitted 09.04.2019; revised 07.06.2019 Information about the authors
Aleksandr S. Kushnaryev, Graduate student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: [email protected]
Oleg Yu. Makarov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: [email protected]
