Come ottimizzare i PCB ai fini della dissipazione termica per LED XLamp® Cree®

Queste note applicative descrivono una tecnica per la progettazione a basso costo di circuiti stampati (PCB) che ottimizzano il layout per il trasferimento di calore del LED, in particolare LED XLamp della CREE

La tecnica prevede l'utilizzo di supporto PCB tipo FR4, che costa meno, ma ha una maggiore resistenza termica rispetto a quelli con base metallica (MCPCB). L'utilizzo di fori rivestiti di metallo (fori metallizzati) dove appoggia il contatto termico del LED è un metodo per dissipare il calore attraverso un PCB-FR-4 appoggiato su un dissipatore di calore adeguato.

La tecnica dei fori metallizzati è utilizzata da Cree per i contenitori dei suoi XLamp LED elettricamente isolati.

Per la progettazione di alcuni sistemi di illuminazione, i fori metallizzati a conduzione termica permettono l'uso di circuiti stampati in FR-4 su schede che sono poi messe a contatto del metallo di dissipazione del calore generato dal LED.

Questa nota applicativa serve come guida pratica basata sui fondamentali principi di scambio termico e comprende la simulazione e misurazione dei dati relativi. Cree è un sostenitore di questa tecnica come design appropriato per alcune applicazioni di illuminazione e incoraggia i clienti Cree a prendere in considerazione queste tecniche disponibili per la gestione termica.

2. La gestione termica

2,1 XLamp Caratteristiche termiche

Tutti i contenitori (package) XLamp LED hanno un contatto termico isolato elettricamente, sia dall'anodo che dal catodo del LED, la cui superficie ottimizza il trasferimento di calore, inoltre il bordo del contatto può essere saldato o fissato direttamente a lato.

Il calore è condotto dal pacchetto LED attraverso il contatto termico del circuito stampato che dovrà essere montato su un adeguato dissipatore in modo da disperdere, in ambiente operativo, il calore prodotto.

La seguente tabella elenca i valori tipici di resistenza termica tra giunzione e punto di saldatura per i vari LED della serie XLamp.

2,2 caratteristiche termiche dei PCB in FR-4

Il laminato FR-4 è il materiale più comunemente utilizzato per realizzare i PCB e rispetta le direttive NEMA come ritardante di fiamma, è infatti un composto di fibra di vetro rinforzata con resina epossidica.
Tale prodotto ha però una bassa conduttività termica.

La Figura 2 che segue mostra una sezione trasversale tipica di un doppio strato di laminato FR-4.

Utilizzando i valori di conduttività termica della tabella 1 , la resistenza termica totale di una scheda FR-4 può essere caratterizzata sommando le resistenze termiche per ciascuno degli strati.

θPCB = θlayer1 + θlayer2 + …+ θlayer3 ... + θlayerN

Per un dato livello è data la resistenza termica secondo la formula:
θ = l / (K x A)
(si assume un dissipatore di calore teoricamente infinita che mantiene il lato posteriore della scheda a 25 º C.)

dove l è lo spessore dello strato, K è la conducibilità termica, e A è l'area normale alla fonte di calore. Si consiglia di usare 1.6 mm di spessore con una superficie di circa 270 mm quadri, la resistenza attraverso il piano-termico è di circa 30 º C / W.

Circuito stampato tipo Metal-Core

MCPCB a semplice strato ha 4 livelli: la maschera di saldatura, lo strato di rame del circuito termicamente conduttivi e strato dielettrico, il tutto su un supporto di base fatto di metallo, come illustrato di seguito in Figura 3.

Utilizzando i valori di conduttività termica nella tabella 3, la resistenza termica
tra piano d’appoggio del led e il substrato di metallo della scheda è di circa 0,2 ° C / W.

2,3 Progettazione termica attraverso fori metallizzati

Un modo economico per migliorare il trasferimento termico per PCB FR-4 è quello di aggiungere fori metallizzati passanti (PTH) tra gli strati conduttivi (fig.4). Questi contatti termici passanti sono creati da fori metallizzati, allo stesso modo utilizzato per le interconnessioni elettriche fra gli strati dei normali PCB.

L’aggiunta di questi contatti passanti in modo adeguato fa migliorare la resistenza termica di uno stampato in FR-4. La resistenza termica di un foro passante può essere calcolata con la stessa formula:

In base ai valori indicati nella tabella 4, per un solo passante del diametro di 0,6 mm risulta

Quando sono N passanti si ha:

Questo è applicabile solo se la fonte di calore è direttamente a contatto con i fori passanti, in caso contrario, la resistenza aumenterà a causa di effetti di diffusione termica. Dovrebbe essere determinato, la resistenza termica totale per la regione sotto il contatto termico del LED, la resistenza termica equivalente per lo strato dielettrico e per fori passanti. Per semplicità, le due resistenze sono trattate come in parallelo applicando questa formula

Utilizzando i valori in tabella 4, con 270 mm quadrati si superficie con 5 fori passanti da 0,6 millimetri di diametro si ha una resistenza termica approssimata di 12 º C / W, un 250% di miglioramento rispetto ai 30 ° C / W derivata dai dati riportati nella tabella 2.

2,4 Foro passante aperto o riempito

I fori passanti vuoti portano a una resistenza termica superiore rispetto a quelli pieni perché la fonte di calore trova un’area ridotta per la formula
A =n x (D x t – t2)

dove D è il diametro del foro, t è lo spessore di placcatura e n pigreco.
Per un diametro di 0,6 mm di via con 35 micrometri di placcatura in rame, la superficie (normale al contatto termico) si trova a solo 0,06 millimetri quadri rispetto ai 0,28 millimetri quadri per un foro pieno, causando una resistenza termica di 441 º C / W per passante rispetto a 96,8 º C / W.
Per la stessa scheda di dimensioni e numero di passanti come nell'esempio precedente, il risultato attraverso il piano-termico la resistenza termica diventa 28 ° C / W.

Tuttavia, la capacità di creare passanti pieni e solidi in rame riduce ulteriormente la resistenza termica, rispetto al passante pieno di saldatura SnAgCu.
In generale, l'aumento dello spessore di placcatura durante la produzione del PCB migliorerà la resistenza termica del passante.

I fori passanti possono diventare pieni durante il flusso di saldatura ma se questo avviene non può avvenire in modo affidabile.
I passanti, se non sono riempiti in maniera affidabile, non sono uno strumento efficace per la conduzione del calore.
Un altro modo più sicuro ed efficace è creare un foro solido durante il processo di placcatura in produzione di PCB, oppure è quella di riempire il passanti con del rame (o qualche altro materiale termicamente conduttivi come la pasta epossidica conduttiva).

Fori passanti PTH vuoti

Figura 6a mostra un esempio di passanti parzialmente riempiti di saldatura , e la figura 6b mostra un esempio di saldatura con dei vuoti sotto il dispositivo (mostrato in rosso).
I vuoti aumenteranno la resistenza termica dell’interfaccia di dissipazione.
Inoltre, la saldatura può riempire eccessivamente il foro che può ridurre l'area di contatto tra il LED e dissipatore di calore.
Un modo per evitare questo è quello di mantenere una via di diametro più piccolo di 0.3 mm.
Lo svantaggio di questo approccio è che, con i piccoli fori passanti vuoti, porterà a una maggiore resistenza termica complessiva.

Un'altra tecnica per limitare l'assorbimento della saldatura sul lato inferiore comporta l'uso di una maschera per limitare il flusso di saldatura dal lato superiore del circuito stampato. Un processo, chiamato "a tenda", utilizza una maschera di saldatura per evitare che entri lo stagno sia in entrata che in uscita del foro passante termico, a seconda della parte a cui la maschera di saldatura è collocata. La tecnica con maschera di saldatura a Tenda sul lato inferiore per coprire il passanti termici può impedire allo stagno di scorrere giù nel foro e sulla parte inferiore della scheda. Nella top-side dei fori a tenda, sono disposti piccole aree di solder mask sopra i fori passanti dal lato superiore del PCB per evitare che dello stagno scenda nel passante dal lato superiore della scheda.

Fori passanti pieni

In generale, la creazione di fori passanti pieni in rame è in pratica una efficace tecnica preferibile.

Continua domani.....

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11 Commenti

  1. divivoma 25 novembre 2011
  2. Emanuele Bonanni Emanuele 25 novembre 2011
  3. divivoma 25 novembre 2011
  4. Ciro Tranchino 25 novembre 2011
  5. Emanuele Bonanni Emanuele 26 novembre 2011
  6. Vittorio Crapella 27 novembre 2011
  7. telegiangi61 telegiangi61 30 novembre 2011
  8. Vittorio Crapella 30 novembre 2011
  9. Vittorio Crapella 18 gennaio 2012
  10. Emanuele Bonanni Emanuele 18 dicembre 2012

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