PCB의 열 관리: LED 조명 수명 연장

LED 조명은 에너지 효율에 혁명을 일으켰지만 그 성능과 수명은 하나의 중요한 요소에 달려 있습니다. 열 관리입니다.LED는 에너지의 80%를 빛으로 변환하지만 나머지 20%는 여전히 구성 요소를 분해 할 수있는 충분한 열을 생성합니다.LED 단절 온도 10°C 상승은 수명을 50%로 줄일 수 있으며, 탄탄한 열 관리를 가진 인쇄 회로 보드 (PCB) 는 단순히 기능이 아니라 필수품이 됩니다.이렇게 최적화된 PCB 디자인과 재료가 LED 조명이 50년 동안 지속되도록 합니다.산업용 조명이나 야외 거리 조명과 같은 고 스트레스 응용 프로그램에서도

주요 내용

• LED 접합 온도는 125°C 이하로 유지되어야 합니다. 과도한 열은 루멘 감소와 부품 고장으로 이어집니다.
• 금속 핵 PCB (MCPCB) 와 고열 라미네이트는 전통적인 FR-4 보드보다 3~5배 더 빨리 열을 분산합니다.
• 적당한 PCB 설계 괄호 너비, 구리 두께 및 열 방출기 통합을 포함하여 열 저항을 최대 40%까지 감소시킵니다.
• IPC-2221 및 LM-80와 같은 산업 표준은 신뢰할 수있는 LED 성능을위한 열 관리 최고의 방법을 안내합니다.

열이 LED를 죽이는 이유: 열 스트레스 과학

LED는 반도체를 통해 전류를 전달하여 작동합니다. 이것은 접점에서 열을 생성하는 과정입니다. 이 열은 빨리 빠져나가야합니다.

a. 85°C의 접합 온도에서, LED는 일반적으로 5만 시간 동안 지속됩니다.
b. 105°C에서, 수명은 25,000시간으로 떨어집니다.
c. 125°C에서는 잠재적인 수명 1/5만 10,000시간으로 떨어집니다.

열은 또한 다른 구성 요소를 파괴합니다: 용접 결합이 균열, 콘덴서 건조, 광학 렌즈 노란색.열 관리의 부적절함 때문에 10년 LED가 2년 LED로 바뀌게 됩니다.

PCB가 LED 열을 제어하는 방법: 디자인 및 재료 솔루션
PCB는 LED 장착장치의 주요 열전도자로 작용하여 LED 접합에서 열을 방조장이나 환경에 전달합니다. 효과적인 열관리는 두 가지 기둥에 의존합니다.재료 선택 및 디자인 최적화.

1PCB 재료 비교: 열 전도성 문제
모든 PCB 는 열 분산 에 있어서 동일 한 것 이 아니다. 아래 표 는 일반적인 재료 들 을 비교 한다.

참고: 열전도성은 물질이 열을 얼마나 잘 전달하는지 측정합니다. 더 높은 값은 더 빠른 분비를 의미합니다.
알루미늄 코어 PCB (MCPCB) 는 대부분의 고전력 LED의 달콤한 지점이며, 구리 코어의 비용 없이 FR-4보다 열 전달에 300%의 향상을 제공합니다.MCPCB를 이용한 100W LED 플라드라이트가 75°C의 접합 온도를 유지합니다.FR-4의 동일한 설계는 110°C까지 도달하고 70%의 절단 수명을 유지합니다.

2. 열 분비를 촉진하는 설계 기술
적절한 재료가 사용되더라도 PCB 설계가 좋지 않은 경우 열을 포착할 수 있습니다. 이러한 전략은 열 성능을 극대화합니다.
a. 구리 두께: 두꺼운 구리 (2oz 대 1oz) 는 열 흐름을 50% 증가시킵니다. 2oz 구리 층 (70μm) 은 열 고속도로처럼 작용하며, 얇은 대안보다 PCB 전체에 더 빨리 열을 퍼뜨립니다.
b.트래스 레이아웃: 넓고 짧은 흔적은 열 저항을 감소시킵니다. 50W LED의 경우, 흔적은 핫스팟을 피하기 위해 최소 3mm 폭이 있어야합니다.
c.열력 비아: 접착 된 비아 (0.3 ∼0.5mm 지름) 는 LED 패드를 PCB의 하층 층에 연결하여 열 파이프로 작용합니다. LED 아래의 3x3 비아의 그리드는 온도를 15 °C로 낮출 수 있습니다.
d.열기 싱크 통합: PCB를 알루미늄 열기 싱크에 직접 접착 (열성 페이스트 또는 0.5W/m·K 전도능의 접착제를 사용하여) 는 열 탈출을위한 2차 경로를 추가합니다.
조명 연구 센터의 연구에 따르면 이러한 디자인 트위크가 결합되면 상업용 다운라이트의 LED 수명이 3만 시간에서 6만 시간까지 연장될 수 있습니다.

특정 LED 애플리케이션에서 열 관리
다양한 환경은 맞춤형 솔루션을 요구합니다.

야외 조명 (거리 조명, 플라드 램프)
a. 야외 LED는 극한의 온도 (-40°C ~ 60°C) 와 습도에 직면합니다.
b. 습기에 저항하기 위해 두꺼운 다이 일렉트릭 층 (100μm) 을 가진 알루미늄 MCPCB를 사용하십시오.
c.PCB 뒷면에는 150W + 장착 장치에 대해 중요한 날개 열 방출기를 추가하십시오.
예를 들어, 이러한 사양을 사용하는 거리등은 5년 후에 90%의 뤼멘 출력을 유지했고, FR-4 기반 설계의 경우 50%에 불과하다.

자동차 조명 (전등, 뒷등)
진동 및 하위 열 (125°C까지) 는 견고한 설계가 필요합니다.
a. 구리 코어 PCB는 높은 열을 견딜 수 있습니다. 그들의 딱딱함은 진동 손상에 저항합니다.
b. LED 배열 근처에 열 통을 사용하여 좁은 헤드 라이트 장치에서 핫 스팟을 방지하십시오.
c. 준수: PCB 설계에 대한 AEC-Q102 (LED 부품 표준) 및 IPC-2221을 충족합니다.

실내 상업용 조명 (사무소, 소매)
공간 제한 및 희미화 주기는 소형 효율을 요구합니다.
a. 얇은 알루미늄 MCPCB는 얇은 장착 장치에 적합합니다; 1 온스 구리는 열과 비용을 균형 잡습니다.
b.열방울에 쉽게 고정할 수 있도록 설계 (예: 미리 뚫린 장착 구멍)
이점: 소매 체인에서의 유지보수 비용은 40% 감소합니다.

시험 및 검증: 열 성능을 보장합니다.
시뮬레이션에 의존하지 말고 실제 테스트를 통해 검증하세요.
a.열성 이미지: FLIR 카메라가 핫스팟을 식별합니다. (목적: PCB 가장자리에 있는 주변에서 <10°C).
b.LM-80 테스트: 이 산업 표준은 85°C와 105°C에서 6,000시간 이상 루멘 감소량을 측정하여 에너지 스타 요구 사항에 부합하는 것을 보장합니다.
c.열 저항 (Rθ) 계산: Rθ <5°C/W (환경과 접합) 을 목표로 합니다. 100W LED의 경우 접합 온도를 85°C (25°C 환경 + 100W x 5°C/W) 이하로 유지합니다.

FAQ
Q: PCB 두께가 열 관리에 어떻게 영향을 미치나요?
A: 두꺼운 PCB (1.6mm 대 0.8mm) 는 열 전파에 더 많은 물질을 제공하지만 핵심 물질은 더 중요합니다. 1.6mm 알루미늄 MCPCB는 3.2mm FR-4 보드를 능가합니다.
Q: 유연 PCB는 LED 열을 처리할 수 있나요?
A: 예, 그러나 저전력 LED (<10W) 에만 적용됩니다. 1 온스 구리 1oz의 유연한 폴리마이드 PCB는 스트립 조명에서 작동하지만 고열 응용 프로그램에서는 피하십시오.2W/m·K) 는 딱딱한 MCPCB보다 낮습니다..
Q: MCPCB로 업그레이드하는 비용 영향은 무엇입니까?
A: 알루미늄 MCPCB는 PCB 비용에 ~ 20%를 추가하지만 더 긴 수명과 더 적은 교체로 전체 소유 비용을 50% 감소시킵니다.

결론
PCB의 열 관리는 후기 생각이 아닙니다. 그것은 신뢰할 수있는 LED 조명의 척추입니다. 올바른 재료 (대부분의 응용 프로그램에 알루미늄 MCPCB), 최적화 설계 (열 통,두꺼운 구리, 그리고 성능을 검증하면 LED가 50,000+시간의 잠재력을 최대한 발휘할 수 있습니다. 제조업체의 경우 이것은 더 만족스러운 고객, 더 낮은 보증 청구,그리고 빠르게 성장하는 LED 마의 경쟁 우위를 점합니다.