CC BY
30
УДК 621.383.525
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ МОЩНЫХ СВЕТОДИОДОВ В.Е.Удальцов, А.В.Удальцов, О.Г.Фомин* CONSTRUCTION AND MOUNTING OF HIGH POWER LED ON PCB
V.E.Udal'tsov, A.V.Udal'tsov, O.G.Fomin*
Институт электронных и информационных систем НовГУ, veou@list.ru *ЗАО «ЭЛСИ», Великий Новгород, Oleg.Fomin@novsu.ru
Предложен новый способ установки светоизлучающих диодов, пригодный для поверхностного монтажа светодиодов в корпусах различного исполнения. Рассматривается конструкция светодиодного светильника, в которой возможно значительное снижение общего теплового сопротивления тепловому потоку за счет исключения влияния печатной платы на процесс теплопереноса. Это позволяет обеспечить качественный тепловой контакт нижней, теплонагруженной стороны корпуса светодиода непосредственно с поверхностью теплоотвода. При этом исключается влияние материала печатной платы на процесс теплопередачи. В статье также рассматриваются керамические и пластмассовые корпуса мощных светодиодов, пригодные для установки на печатные платы указанным способом. У таких светодиодов выводы располагаются на верхней, лицевой стороне корпуса и изолированы от теплоотводящего основания.
Ключевые слова: светодиод, печатная плата, контактные площадки, теплопроводность плат
A new method of installing light-emitting diodes in various packages suitable for surface mount is proposed. Construction of the LED lamp with sufficient lowering of the general thermal resistance to a heat flux is available due to elimination of printed circuit board influence on heat transfer process is considered. It allows providing high-quality thermal contact of the lower heat-loaded side of the LED case directly with the surface of the heatsink. At the same time, the influence of PCB material on a heat transfer process is excluded. In this article, the ceramic and plastic casings of power LEDs suitable for installation on printed circuit boards by the specified method are also considered. Such LEDs have contact pads located on upper facing side of the case and isolated from the heat-eliminating base.
Keywords: light emitting diode, PCB, contact pad, thermal conductivity of PCB
Благодаря своим техническим характеристикам светодиоды уверенно завоевывают рынок систем освещения. Это системы промышленного и наружного освещения, архитектурная подсветка, офисное и интерьерное освещение.
Если первоначально использование светодиодов в светотехнике сдерживалось высокой стоимостью светодиодов и их посредственными параметрами, то на сегодняшний день благодаря совершенствованию конструкции и технологии, а также организации массового промышленного производства, стоимость светодиодов постоянно снижается, а их технические характеристики растут.
По сравнению с традиционными источниками света светоизлучающие диоды обладают повышенной светоотдачей (уже достигнута светоотдача свыше 200 лм/Вт), имеют широкий спектр излучения (от ульт-
рафиолетового до инфракрасного) и, что очень важно, имеют в несколько раз больший срок службы (у некоторых типов срок службы составляет свыше 100 000 часов) [1].
Но при проектировании светодиодных светильников необходимо учитывать ряд особенностей светоизлучающих диодов.
1. Малые размеры полупроводниковых кристаллов светодиодов и небольшая мощность отдельных кристаллов приводит к тому, что для обеспечения приемлемой силы света в светодиодный светильник приходится интегрировать десятки светодиодов или отдельных кристаллов.
2. Хотя светодиоды и обладают повышенной светоотдачей, часть подводимой электрической мощности приводит к нагреву полупроводникового кристалла, что отрицательно сказывается на характери-
стиках и надежности светодиода. Для обеспечения надежной и продолжительной работы светильника необходимо обеспечить нормальный тепловой режим светодиодов.
Один из типичных вариантов конструкции светодиода и способ его установки на печатную плату [2] приведен на рис. 1.
4 5 6
1
1 — алюминиевая плата, 2 — диэлектрик, 3 — вывод светодиода, 4 — заливочный компаунд, 5 — кристалл светодиода, 6 — соединительный провод, 7 — металлический теплоотвод, 8 — припой, 9 — контактная площадка
Рис.1. Вариант установки светодиода на печатную плату
Такая конструкция светодиода и монтаж его на плату затрудняет отвод тепла от полупроводникового кристалла, да и усложняет конструкцию самой печатной платы, поскольку тепло от кристалла на радиатор необходимо передавать через печатную плату.
В связи с изложенным применение традиционных способов сборки печатных плат с использованием светодиодов для поверхностного монтажа накладывает существенные ограничения на суммарную мощность светильников из-за недостаточно высокой теплопроводности плат и неоптимального расположения светодиодов при их установке. В настоящее время большие усилия разработчиков светодиодных источников света прилагаются как на разработку новых более мощных корпусов свето-диодов [3], так и применение материалов с высокой теплопроводностью для производства печатных плат и оснований электронных компонентов. В частности, использование печатных плат с медным или алюминиевым теплоотводящим слоем, а также керамических плат из алюмооксидной или нитридной керамики [2]. Стоимость таких печатных плат значительно выше как из-за более высокой стоимости материалов, так и более сложной технологии их изготовления. Это обстоятельство является определенным ограничением для серийного производства светодиодных устройств.
Актуальной задачей является увеличение мощности теплоотвода от теплонагруженных электронных компонентов, в частности светодиодов, устанавливаемых на различных печатных платах при сохранении возможности и преимуществ поверхностного монтажа компонентов в планарных корпусах.
Для улучшения теплоотвода от полупроводниковых кристаллов светодиодов и снижения их температуры, необходимо уменьшить тепловое со-
противление между кристаллом и радиатором. Основной вклад в тепловое сопротивление вносит диэлектрический слой коммутационной печатной платы. Исключение диэлектрика печатной платы из процесса теплопередачи и разделение тепловых и оптических потоков и сигнальных проводников позволяет значительно сократить тепловое сопротивление.
Эта задача может быть решена, если при монтаже светодиодов на печатную плату в плате предусмотреть отверстия для вывода оптического излучения, а светодиоды устанавливать таким образом, чтобы поток оптического излучения был направлен в отверстие печатной платы.
Такая конструкция позволяет эффективно отвести тепло от светодиодов, используя плоские или профильные радиаторы, как это показано на рис.2 и 3.
12 3
1 — светодиод; 2 — печатная плата с токоведущими проводниками; 3 — теплоотводящий радиатор, 4 — контактная площадка для теплоотвода; 5 — выводы светодиода
Рис.2. Способ установки мощных светодиодов на печатную плату
Рис.3. Способ монтажа гибкой диэлектрической платы со све-тодиодами с целью увеличения угла излучения светильника
Технологический процесс сборки светильников включает ориентированную подачу и соедине-
ние выводов светодиодов с контактными площадками печатной платы методом пайки или сварки [4]. Предварительно в местах расположения светодиодов на плате изготавливают отверстия с размерами, равными или большими, чем размеры апертуры системы вывода оптического излучения, но меньше, чем размеры корпуса светодиода. Указанное отверстие выполняет функции шаблона, обеспечивающего ориентацию и фиксацию светодиода, а также окна для вывода излучения. По краям отверстий формируют контактные площадки, размеры и расположение которых должны соответствовать размерам выводов светодиода. При этом выводы должны быть сформированы на верхней поверхности корпуса све-тодиода. При установке на печатную плату светоди-од переворачивают выводами вниз и помещают в соответствующее окно платы для соединения выводов с контактными площадками платы одним из указанных выше способов. В дальнейшем при монтаже на радиатор или в корпус устройства собранную плату переворачивают, обеспечивая непосредственный тепловой контакт оснований светодиодов с поверхностью теплоотвода.
В настоящее время существуют и используются как керамические, так и пластмассовые корпуса мощных светодиодов, пригодные для установки на печатные платы указанным способом. У таких светодиодов выводы располагаются на верхней, лицевой стороне корпуса и изолированы от теплоотво-дящего основания. Но в большинстве конструкций корпусов типов СЬСС и РLCC электрические выводы светодиодов соединены с теплоотводящими площадками, расположенными на нижней стороне корпуса. Использование светодиодов в таких корпусах для «перевернутого» монтажа невозможно и необходимо усовершенствование конструкции корпуса и перенос электрических выводов с основания корпуса на верхнюю сторону. Это позволяет устанавливать корпус светодиода непосредственно на металлический теплоотвод и таким образом уменьшить тепловое сопротивление системы кристалл свето-диода — радиатор за счет исключения влияния теплопроводности платы на тепловое сопротивление системы.
На рис.4 приведена измененная конструкция керамического корпуса светодиода [4]. В корпусе светодиода для поверхностного монтажа, состоящем из керамического кристаллодержателя в виде плоского основания с металлизированными контактными площадками, к которым присоединяются от двух до шести изолированных токоведущих проводников от полупроводниковых кристаллов, выводы расположены на верхней стороне корпуса, при этом нижняя сторона основания металлизирована, но электрически не соединяется с контактными площадками.
За счет использования выводов на верхней стороне корпуса и обеспечения возможности установки светодиода непосредственно на металлический теплоотвод, уменьшается тепловое сопротивление системы светодиод - радиатор, так как исключается влияние теплопроводности материала платы на тепловое сопротивление.
1 — керамическое основание; 2, 3 — металлизированные контактные площадки;4 — выводы; 5 — металлизированные переходные отверстия; 6 — металлизированная теплоотводящая площадка
Рис.4. Конструкция металлокерамического корпуса светодиода для поверхностного монтажа
Предлагаемый способ монтажа светодиодов на печатную плату позволяет увеличить мощность теплоотвода от теплонагруженных электронных компонентов, устанавливаемых на различных печатных платах при сохранении возможности и преимуществ поверхностного монтажа компонентов, в том числе с использованием гибких печатных плат.
Шуберт Ф. Светодиоды I Пер. с англ.; под ред.
A.Э.Юновича. 2-е изд. М.: Физматлит, 2008. 496 с. Thermal Management Guide. 2005.8. Rev 3. Seoul Semiconductor [Электронный ресурс]. URL: http://eu.mouser.com/pdfdocs/SeoulThermal.pdf (дата обращения 15.04.2017).
Пат. 141867 РФ, МПК6 H01L 23I367 Корпус светодиода для поверхностного монтажа. №2014100183I28 I
B.Н.Никитин, В.Е.Удальцов, Г.В.Зарицкий, Д.А.Максимов. Заявл. 09.01.2014. Опубл. 20.06.2014. Бюл. №17.
Удальцов В.Е., Фомин О.Г. Способ установки мощных светодиодов на печатную плату. Заявка на изобретение № 2017100299, МКИ6 H01L25H36, заявлено 11.01.2017. URL: http://www1.fips.ru/wps/portal/Registers/(дата обращения 15.04.2017)
1.
2
3
4.
References
1. Schubert F.E. Light-Emitting Diodes. 2nd ed. Cambridge, Cambridge University Press, 2006. 440 p. (Russ. ed.: Shubert F. Svetodiody. 2nd ed. Moscow, 'Fizmatlit", 2008. 496 p.).
2. Thermal Management Guide. 2005.8. Rev 3. Seoul Semiconductor. Available at: http://eu.mouser. com/pdfdocs/SeoulThermal.pdf(accessed 15.04.2017).
3. Nikitin V.N, Udal'tsov V.E., Zaritskii G.V., Maksimov D.A. Korpus svetodioda dlia poverkhnostnogo montazha [The surface-mount case for a light-emitting diode]. Patent RF 141867, 2014.
4. Udal'tsov V.E., Fomin O.G. Sposob ustanovki moshchnykh svetodiodov na pechatnuiu platu [Method of installing high power light-emitting diodes on printed circuit boards]. Claim for an invention, no. 2017100299, 2017. Available at: http://www1.fips.ru/wps/portal/Registers/(accessed 15.04.2017).
