Особенности расчета систем отвода тепла при использовании светодиодов в корпусах PLCC

Требования к радиатору

Самый простой способ определения требований к радиатору — это использование модели теплового сопротивления.

Определение теплового сопротивления

Тепловое сопротивление Rθ [°C/Вт] определяется как изменение температуры между
двумя точками пути тепла при рассеивании
1 Вт тепла. Общая формула теплового сопротивления между точкой x и точкой y:

Rθ_x–y = (T_x–T_y)/P_d, (1)

где T_x — температура в точке x; T_y — температура в точке y; P_d — общее рассеяние тепла.

При использовании модели теплового сопротивления делается предположение, что
общее рассеяние тепла равно общей электрической мощности, подаваемой в светодиод. В действительности рассеяние тепла [Вт] меньше
общей электрической мощности, так как
определенное ее количество преобразуется в излучение фотонов (видимое и невидимое).

P_d = I_F
×V_F,

где I_F — прямой ток; V_F — прямое напряжение.

Тепловое сопротивление в светодиоде Avago
SMD между p-n-переходом кристалла светодиода и точкой пайки [°C/Вт] может быть
записано следующим образом:

Rθ
_{переход–точка пайки} = Rθ
_J–P = (T_J–T_P)/P_d, (2)

где (T_J–T_P) — разница между температурой p-n-
перехода светодиода и температурой точки пайки;
T_J — температура p-n-перехода кристалла светодиода; T_P — температура точки пайки.

Тепловое сопротивление Rθ
_J–P является важной
характеристикой светодиода, и его значение может
быть найдено в спецификации изделия. Например,
типовое значение Rθ
_J–P для PLCC2 InGaN равно
280 °C/Вт. Это означает, что при питании светодиода с потреблением мощности 0,1 Вт температура T_J увеличится на 28 °C по сравнению с температурой точки пайки.

Другими типами теплового сопротивления,
представляющими интерес в этой статье являются:

• тепловое сопротивление между p-n-переходом
  светодиода и окружающей средой:
  Rθ
  _J–A = (T_J–T_A)/P_d; (3)
• тепловое сопротивление между точкой
  пайки светодиода и печатной платой:
  Rθ
  _P–PCB = (T_P–T_PCB)/P_d; (4)
• тепловое сопротивление между печатной
  платой и окружающей средой:
  Rθ
  _PCB–A = (T_PCB–T_A)/P_d; (5)
• тепловое сопротивление между радиатором
  и окружающей средой:
  Rθ
  _HS–A = (T_HS–T_A)/P_d. (6)

Другое предположение, сделанное при использовании модели теплового сопротивления,
заключается в том, что все тепло, генерируемое
в p-n-переходе светодиода, передается через
единственный основной путь проводимости.
Передача тепла через излучение и конвекцию
игнорируется, так как здесь она обычно является довольно незначительной.

Модель теплового сопротивления
для одиночного светодиода

Основной путь тепла для светодиода PLCC:
p-n-переход кристалла светодиода → точка
пайки → печатная плата → радиатор → окружающая среда.

Рис. 1. Модель теплового сопротивления
для одиночного светодиода

В этом случае тепловой путь может моделироваться с помощью последовательной цепи
резисторов, как показано на рис. 1. Передача
тепла через герметик и корпус светодиода
не учитывается из-за намного более низкой
их теплопроводности по сравнению с металлической выводной рамкой. Общее тепловое
сопротивление Rθ
_J–A может быть выражено
суммой отдельных сопротивлений вдоль пути
тепла от p-n-перехода в окружающую среду:

Rθ
_J–A = Rθ
_J–P+Rθ
_P–PCB+Rθ
_PCB–HS+Rθ
_HS–A. (7)

В некоторых случаях, когда не используется
дополнительный радиатор, модель может быть
упрощена следующим образом:

Rθ
_J–A = Rθ
_J–P+Rθ
_P–PCB+Rθ
_PCB–A. (8)

Тепловое сопротивление Rθ
_P–PCB относится
к термическому компаунду, который используется между точкой пайки светодиода и печатной платой. В отличие от других мощных
светодиодных излучателей, которые требуют
применения специального термического компаунда, такого как термическая густая смазка
или термическая смола, светодиод Avago PLCC
может непосредственно припаиваться к печатной плате. В связи с тем, что припой — это
металлический сплав, его теплопроводность
является очень хорошей. Таким образом, можно
пренебречь ее тепловым сопротивлением
Rθ
_P–PCB, так как T_P
≈ T_PCB. С учетом этого уравнение (8) преобразуется:

Rθ
_J–A = Rθ
_J–P+Rθ
_P–A. (9)

Модель теплового сопротивления
для нескольких светодиодов
на одном носителе

Если несколько мощных светодиодных излучателей смонтированы на одном носителе
(печатной плате), то общее тепловое сопротивление изменится из-за дополнительного
нагрева от соседних модулей. Это изменит
значение Rθ
_PCB–A. В связи с наличием нескольких светодиодов на печатной плате величина
Rθ
_J–P нескольких светодиодов может быть
упрощена до Rθ
_{J–P TOTAL}, использующей параллельную модель теплового сопротивления.
Эта величина может быть получена алогично
вычислению итогового сопротивления параллельно включенных резисторов:

Rθ
_{J–P TOTAL} = [(1/Rθ
_J–P1)+(1/Rθ
_J–P2) × (1/Rθ
_J–P3)+ … +(1/Rθ
_J–Pn)]–1, (10)

где n — количество светодиодов на одной
печатной плате.

В связи с тем, что Rθ
_J–P1 = Rθ
_J–P2 = Rθ
_J–P3 = … = Rθ
_J–Pn,

Rθ
_{J–P TOTAL} = [(n/Rθ
_J–P)]–1 = Rθ
_J–P/n. (11)

Если должна использоваться эта простая
модель, то следует учитывать общую величину P_d всех светодиодов:

Rθ
_{J–P TOTAL} = (T_J–T_P)/P_{d TOTAL}, (12)

где P_{d TOTAL} = P_d1+P_d2+P_d3+ … +P_dn.

Требования к характеристикам

Перед проектированием теплового управления для мощного светодиода пользователь
должен задать следующие требования:

• максимальная рабочая температура окружающей среды T_Amax, на основе условий
  приложения пользователя;
• максимальная температура p-n-перехода
  светодиода T_Jmax, может быть получена
  из технических требований на PLCC;
• максимальная мощность рассеивания на один
  излучатель Pd_max, где Pd_max = I_Fmax
  ×V_Fmax, может
  быть получена из технических требований
  PLCC.

При определении требуемых характеристик
радиатора всегда должен рассматриваться
наихудший случай.

Для системы без дополнительного радиатора требованием рассеяния тепла является
Rθ
_PCB–A. Путем подстановки уравнения (3)
в уравнение (9) получаем:

(T_Jmax–T_Amax)/Pd_max = Rθ
_J–P+Rθ
_P–A,
Rθ
_P–A = (T_Jmax–T_Amax)/Pd_max–Rθ
_J–P. (13).

Так как все параметры на правой стороне
уравнения (13) известны, то можно определить
требование Rθ
_PCB–A к рассеиванию тепла.

Типы монтажных опций
(носителя)

Всего имеются три типа монтажных опций
для светодиодов Avago PLCC для различных
диапазонов рассеивания тепла:

• тип I — односторонняя печатная плата FR4
  с/без дополнительной медной площадки;
• тип II — двусторонняя печатная плата
  FR4 с дополнительной медной площадкой
  и тепловыми отверстиями;
• тип III — печатная плата с внутренним
  металлическим слоем (MCPCB).

Тип I. Односторонняя печатная плата FR4
с/без дополнительной медной площадки

Этот тип опции носителя является самым
дешевым и наименее эффективным для рассеивания тепла (рис. 2).

Рис. 2. Односторонняя печатная плата FR4 без дополнительной медной площадки

Тип II. Двусторонняя печатная плата FR4
с дополнительной медной площадкой
и тепловыми отверстиями

Монтажная опция типа II обеспечивает дополнительное рассеивание тепла от светодиода через отверстия к дополнительной медной
площадке на нижней стороне печатной платы
(рис. 3), которая может быть оставлена без
паяльной маски с помощью технологии выравнивания пайки горячим воздухом (HASL),
если это приведет к лучшему рассеянию тепла
в окружающую среду. Это также обеспечивает лучшее взаимодействие металла при присоединении дополнительного радиатора.

Рис. 3. Двусторонняя печатная плата FR4 с дополнительной медной площадкой и тепловыми
отверстиями: а, в, д — вид печатной платы сверху; б, г, е — вид печатной платы снизу

Тип III. Печатная плата
с внутренним металлическим слоем

В печатной плате с внутренним металлическим
слоем обычно в качестве внутренней основы
используется алюминий (рис. 4). Он имеет
хорошую теплопроводность (более 200 Вт/мК).
Тепло, проводимое от светодиода, может эффективно распространяться через плату MCPCB
в окружающую среду. По сравнению с подложкой FR4, MCPCB превосходно поддерживает низкую температуру p-n-перехода светодиода.

Рис. 4. Печатная плата с металлическим слоем

Рекомендуемые формы
площадки для пайки

Рекомендуемые формы площадки для пайки,
показанные на рис. 5, можно также найти
в технических требованиях. Выводы (штырьки) модуля PLCC могут непосредственно
припаиваться к площадкам с помощью процесса оплавления или ручной пайки.

Рис. 5. Рекомендуемые формы площадки
для пайки: а) PLCC2; б) PLCC4;
в) 0,5 Вт PLCC4

Тепловое сопротивление
для разных опций монтажа

Рис. 6. Площадь площадки для каждого катода: а) 16 мм2; б) 12 мм2

Благодаря увеличенной площади передачи
тепла печатная плата может действовать как
радиатор, что приводит к более низкому тепловому сопротивлению между точкой пайки
и окружающей средой. Для определения теплового влияния различных конфигураций печатной платы была выполнена тепловая
имитация (рис. 6). Катодные ламели распространяют тепло над печатной платой в зависимости от их площади (см. спецификацию
для маркировки модуля в виде указателя
основного теплового пути). Материалы платы,
площади ламелей и стандартные граничные
условия перечислены в таблице.

Т а б л и ц а . Параметры платы

Рис. 7. Зависимость имитированного теплового
сопротивления RθP–A от площади
печатной платы для светодиода MiPLED

Вычисления для спокойного состояния всегда выполняются с фиксированным рассеиванием мощности, равным 0,1 Вт. Другие источники тепла, например резисторы, регуляторы
напряжения и т. д., не рассматриваются в анализе. Все результаты имитации справедливы
в упомянутых предельных условиях. На рис. 7
показано имитированное тепловое сопротивление между точкой пайки и окружающей
средой Rθ
_P–A для монтажных опций I, II и III.
Однако реальное тепловое сопротивление может
отличаться от имитированного значения и зависит от внешних условий, используемого
материала и остальной тепловой нагрузки вокруг светодиода. Способ измерения реального
теплового сопротивления Rθ
_P–A светодиодного
модуля будет описан далее.

Определение требований
к характеристикам радиатора

Для приложения ASMT-QWBC-Nxxxx
свыше 0,5 Вт предъявляются следующие
требования:

• ток источника питания I_F = 150 мА;
• максимальная температура окружающей
  среды T_Amax = 25 °С;
• 1 светодиод ASMT-QWBC-Nxxxx в модуле.
  Предельное ограничение вычисления:
• максимальная мощность рассеивания [Вт]:
  Pd_max = I_F
  ×V_Fmax = 0,150×3,8 = 0,615;
• максимальная температура p-n-перехода
  светодиода [°C] T_Jmax = 125;
• тепловое сопротивление ASMT-QWBE
  [°С/Вт] Rθ
  _J–P = 40.

Необходимо определить опции монтажа
и размеры, необходимые для реализации
требований приложения. С помощью формулы (13) можно вычислить требуемое тепловое
сопротивление Rθ
_P–A [°C/Вт]:

Rθ
_P–A = (T_Jmax–T_Amax)/Pd_max–Pθ
_J–P =
(125–25)/0,57–40 = 135,4.

На рис. 7 видно, что можно достичь теплового сопротивления, равного 102,6 °C/Вт, если
использовать двустороннюю FR4 печатную
плату с площадью 100 мм².

Методы измерения
в реальном приложении

Из-за трудностей непосредственного измерения температуры p-n-перехода T_J она может быть
оценена косвенно, путем использования модели
внесенного теплового сопротивления. Для этой
процедуры измеряется Rθ
_P–A между точкой пайки
испытываемого устройства и окружающей
средой. С помощью этого значения можно вычислить температуру p-n-перехода.

Ниже описаны процедуры для измерения
Rθ
_P–A и последовательного вычисления T_J:

• Возьмите значение Rθ
  _J–P светодиода из со-
  ответствующих спецификаций.
• Припаяйте к печатной плате светодиод,
  используемый в качестве испытываемого
  устройства (DUT).
• Поместите небольшой термодатчик на штырек
  катода/анода DUT. Обратитесь к спецификации для получения маркировки (катода или
  анода) в виде указателя основного теплового
  пути.
• Подайте на светодиодный модуль необходимый прямой ток. Светодиодный модуль
  должен быть включен в течение примерно
  30 минут, чтобы достичь его температурной
  стабильности.
• Запишите температуру точки пайки T_P,
  температуру окружающей среды T_A, ток I_F
  и соответствующее прямое напряжение V_F.
• Вычислите Rθ
  _P–A системы и T_J для DUT с помощью уравнений (14) и (15):

Rθ
_P–A = (T_P–T_A)/(I_F
×V_F), (14)

T_J = T_P+(I_F
×V_F
×Rθ
_J–P). (15)

Пример вычисления

Для приложения PLCC2 HSMC-A100 конструктивный ток оценивается как I_F = 20 мА.
В соответствии со спецификацией HSMC-A100
следует не допустить превышения температуры p-n-перехода, равной 110 °С. Таким образом,
необходимо измерить температуру окружающей среды T_A, температуру точки пайки T_P
и прямое напряжение V_F.

Результаты теста: T_P = 28 °С, V_F = 2,0 В.

В спецификации HSMC-A100 для величины
Rθ
_J–P установлено значение 280 °С/Вт. Вычислим
значение T_J [°С] для DUT с помощью уравнения (15):

T_J = 28+(20×2,2×280) = 40,32.

Следовательно, T_J<110 °С max.

Преимущества хорошей
тепловой конструкции

Хорошая тепловая конструкция гарантирует, что ограничения для величины T_J
не будут превышены; обеспечивает работу
при более высоких токах, что приводит к получению большей световой отдачи от каждого светодиода; минимизирует снижение
световой отдачи светодиода из-за самонагрева; уменьшает снижение световой отдачи
со временем.