СПОСОБ МОНТАЖА СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ Российский патент 2019 года по МПК F21V21/05 H05K1/11 F21V29/10 H05K3/20 

Способ монтажа светодиодных плат может быть использован в светодиодных светильниках повышенной мощности.

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано при изготовлении светотехнического оборудования повышенной мощности: для архитектурной подсветки зданий, спортивных площадок, театральных и концертных залов, городских площадей, аэропортов, железнодорожных объектов.

Светодиоды, являются эффективным источником света, обладают низким потреблением электроэнергии и большим сроком службы, способны создавать высокоинтенсивные световые потоки. Однако использование для указанных применений -мощных светодиодов создает проблему с рассеиванием выделяемого светодиодами тепла. Срок службы светодиодов значительно - более чем в 2 раза снижается при увеличении температуры кристалла светодиода на 20°С (1).

Наиболее распространенным способом отвода тепла от светодиодов является применение печатных плат с металлической, как правило, алюминиевой подложкой (2, 3). Такие печатные платы состоят из следующих слоев: металлической подложки толщиной 0,5-2 мм с нанесенным на нее изоляционным теплопроводящим слоем (препрегом) толщиной, 0,06-0,15 мм; медной фольги толщиной 0,035-0.105 мм и более. Из медной фольги методом травления получают электроды, на которые припаивают светодиоды. Отвод тепла от светодиодов в таких структурах в горизонтальном направлении производится через электроды и далее по вертикали через теплопроводящий изоляционный слой к металлической подложке и далее при необходимости к радиатору. Для снижения теплового сопротивления электрода в горизонтальном направлении его толщину выбирают максимально возможной по технологическим и другим соображениям.

Другим техническим решением (2, 3) является сверление отверстий в двусторонней печатной плате, гальваническое осаждение меди в отверстиях и заливка этих отверстий припоем.

Недостатками известных решений являются: - снижение надежности светильника при стандартной толщине медного слоя, при которой снижается количество горизонтально транспортируемого тепла, а, следовательно, увеличивается температура кристалла светодиода;

- повышенный расход меди, связанный с вытравливанием меди со свободных участков печатной платы;

- увеличение времени изготовления печатных плат, которое пропорционально толщине слоя меди (скорость травления меди при использовании форсунок примерно 35 мкм/минуту);

- ограничение максимальной толщины медного слоя по технологическим соображениям; -ухудшение точности изготовления электродов с увеличением толщины медного слоя. Использование для вертикальной транспортировки тепла сквозных металлизированных отверстий требует двусторонних печатных плат, процесса металлизации этих отверстий и повышенный износ инструмента при сверлении большого количества отверстий.

Техническим результатом предлагаемого способа является и увеличение срока службы светильника путем снижения теплового сопротивления между светодиодом и радиатором, снижение расхода меди, а также повышение технологичности изготовления светильника.

Раскрытие сущности изобретения

Изобретение характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.

На алюминиевую пластину - подложку наклеивается тонкая пленка с двусторонним клеящим слоем с хорошей теплопроводностью. На эту пленку автоматом по монтажу SMD элементов устанавливаются медные электроды, изготовленные из медной пластины заданной толщины, либо штамповкой, либо методом лазерной резки. Эти электроды после кратковременного прижатия образуют «печатную» плату с алюминиевой подложкой. На эти электроды тем же автоматом по монтажу SMD элементов устанавливаются и припаиваются светодиоды, по технологии пайки обычных печатных плат. Толщина электродов (дорожек печатной платы) выбирается значительно больше, чем толщина медной фольги обычной печатной платы, что обеспечивает снижение теплового сопротивления светодиод - алюминиевая подложка. Предложенный способ позволяет обойтись без нескольких операций изготовления обычной печатной платы: нанесения рисунка, травления и т.д., что повышает технологичность изделия. Так как отсутствует травление меди, а способы изготовления медных электродов практически безотходны, расход меди минимален.

Предложенный способ монтажа «печатных» плат светильников достаточно прост, но не является очевидным, так как на первый взгляд применяемые способы монтажа на печатных платах с увеличенной толщиной медного слоя представляются наименее трудозатратными. Однако при этом не учитывается увеличение времени обработки на операции травления и затраты на регенерацию меди.

Изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами: На фиг. 1 изображен пример расположения медных электродов и светодиодов на плате полезной модели, выполненной по предлагаемому способу монтажа. На фиг. 1 обозначены:

1- алюминиевая подложка; 2 - медные электроды;; 3 - светодиоды; - ; 4 перемычки (могут отсутствовать); 5 - пленка с двусторонним клеевым слоем; 6 - радиатор. На фиг. 2 изображена эквивалентная схема теплового расчета, приведенного в приложения 1. На фиг 2 обозначены Rt - тепловое сопротивление элементарной площадки препрега медного электрода в вертикальном направлении; rt - тепловое сопротивление элементарной площадки медного электрода в горизонтальном направлении.

Возможность промышленного применения Оценка максимальной мощности светильника.

В качестве изоляционной теплопроводной пленки с двусторонним клеящим слоем может быть использована пленка М3-8940, имеющая следующие технические характеристики: теплопроводность 0,9 Вт/м°С; термостойкость от минус 40 до 150°С, кратковременно, в течение 1 часа - 225°С, толщина 190 мкм, электрическая прочность 10 кВ, прочность на сдвиг 1000 Г при площади 323 мм². Например, при площади электрода равной 2 см² тепловое сопротивление такой пленки равно

Rtп=h/σS=1°C/BT.

Здесь h толщина пленки;

σ - теплопроводность пленки;

S - площадь пленки

При допускаемом перепаде температур на пленке 5°С через такую пленку можно передать тепловую мощность до 5 Вт. С учетом кпд современных светодиодов более 30%, мощность, подводимая к светодиоду при этом равна 7 Вт. При количестве светодиодов в светильнике равном 50 суммарная мощность, подводимая к светодиодам, достигает 350 Вт, что достаточно для большинства практических приложений.

Оценка максимальной вибростойкости светильника.

Медный электрод толщиной 0,5 мм, площадью 323 мм² имеет вес

Р=ρ h S=8,9 Г/см³ 0,05 см × 3,23 см²=1,44 Г.

Здесь ρ - удельная плотность меди;

h - толщина медного электрода;

S - площадь медного электродаэ

Допускаемая амплитуда вибрации при этом равна 1000 Г/1,44 г=700 м/с², что также достаточно для большинства практических приложений.

Приведем оценку снижения теплового сопротивления светодиод - металлическая подложка. Тепло от вывода светодиода отводится к радиатору через медный электрод длиной L, толщиной Н, шириной А. Под электродом находится изоляционная пленка - препрег толщиной h.

Для расчета теплового сопротивления медного электрода по пути от вывода светодиода до радиатора условно разобьем электрод на элементы шириной dL

Эквивалентная тепловая схема отвода тепла через электрод представлена в виде цепи, показанной на фиг 2.

Выберем dL достаточно малым, таким, чтобы тепловое сопротивление выделенного участка медного электрода длиной dL было много меньше теплового сопротивления участка препрега, расположенного под этим участком медного электрода.

r_t=dL/σ_мHA,

здесь σ_м - коэффициент теплопроводности меди.

Тепловое сопротивление препрега на этом же участке

R_t=h/σ_и dLA

Здесь σ_и - коэффициент теплопроводности препрега.

Тепловое сопротивление участка электрода в сечении S1 равно

R_S1=r_t+R_t

Тепловое сопротивление участка электрода в сечении S2 равно

R_S2=r_t+R_S1R_t/(R_S1+R_t)

Тепловое сопротивление участка электрода в сечении S3 равно

R_S3=r_t+R_S2R_t/(R_S2+R_t)

И т.д

Расчет теплового сопротивления, проведенный по (1) для нескольких значений толщины медного электрода, теплопроводности препрега, вычисленные при значениях теплопроводности меди σ_м=390 W/mK; dL=0,25 mm; ширине электрода А=5mm; толщине препрега h=0,1 mm приведены в таблице 1

Как видно из таблицы 1 при толщине изоляционного слоя 100 мкм, его теплопроводности 2,2 Вт/м град, размерах 5×4 мм, толщине медного электрода 35 мкм тепловое сопротивление вывод светодиода - медный электрод - изоляционный слой -металлическая подложка равно R_t1=17,5° С/Вт.

При тех же условиях, но толщине медного электрода 280 мкм R_t2=5,88°С/Вт.

При мощности светодиода 5 Вт перепад температур от вывода светодиода до металлической подложки в первом случае составит

ΔТ=17,5°С/Вт 5Вт=88°С.

Во втором случае - при увеличении толщины медного электрода с35 мкм до 280 мкм перепад температур составит

ΔT=5,88°С/Вт 5Вт=29°С.

Изготовление медных электродов может производиться либо штамповкой, либо, например станком лазерной резки SIGN - Fiber-500W, с точностью позиционирования ±0,02 мкм, толщину резания от 0,2-4 мм, и скорость резания 15 м/мин.

Монтаж медных электродов и светодиодов можно производить, например, автоматом для установки поверхностно монтируемых компонентов Place А11-510,или аналогичными устройствами..

Источники:

1 А. Васильев. Светодиоды - долгожители: правда или мистификацияю. Новости электроники №0 2010 г.

2 Андрей Винокуров. Расчет печатных плат для светодиодов CREE серий ХР и MX Полупроводниковая светотехника №3 2010 г.

3 Мартин Закс (Martin Sachs) Перевод: Андрей Новиков. Produktion von Leiterplatten und Systemen. 2010. №9. Германия.

4 Станок для лазерной резки SIGN - Fiber-500W. Интернет

5 Уникальные для своего класса особенности автоматов серии PlaceAll. Павел Янкин, Александр Шеманов ams@global-smt.ru

Способ монтажа светодиодных плат может быть использован в светодиодных светильниках повышенной мощности. В светодиодных светильниках повышенной мощности повышается температура кристаллов светодиодов, что вызывает снижение срока службы светильников. Для снижения температуры кристаллов светодиодов в настоящее время отвод тепла от светодиодов осуществляется путем использования специальных печатных плат с изолированной металлической подложкой. Медная фольга печатной платы имеет увеличенную толщину и отделяется от металлической подложки тонким слоем теплопроводной электрической изоляции. Недостатками использования такого материала для печатных плат является: повышенный расход меди, связанный с вытравливанием меди со свободных участков платы; увеличение времени изготовления печатных плат, которое пропорционально толщине слоя меди (скорость травления меди при использования форсунок примерно 35 мкм/мин); ограничение максимальной толщины медного слоя по технологическим соображениям; ухудшение точности изготовления электродов с увеличением толщины медного слоя. Целью предлагаемого способа монтажа печатных плат светильников повышенной мощности является увеличение срока службы светильника путем снижения теплового сопротивления светодиод - металлическая подложка печатной платы, снижение расхода меди, снижение трудозатрат. Указанные цели достигаются предлагаемым способом монтажа, при котором на алюминиевую подложку приклеивается двусторонняя клеящая пленка. На эту пленку автоматом по монтажу электронных элементов устанавливаются по специальной программе медные плоские электроды, вырубленные из медной полосы выбранной толщины, каждый электрод прижимается с необходимым для приклейки усилием к клеящей пленке, после чего автомат для монтажа электронных элементов устанавливает светодиоды на медные электроды через флюс, после установки всех элементов производится пайка в программируемой печи. 2 ил., 1 табл.

Способ монтажа светодиодных печатных плат светильников, состоящих из радиатора, алюминиевой печатной платы и светодиодов, отличающийся тем, что из медной пластины необходимой толщины нарезают полосы необходимой ширины, равной длине медных электродов, из этих полос нарезают медные электроды необходимой ширины, к алюминиевой подложке приклеивают двустороннюю клеящую теплопроводную пленку, на которую автоматической системой установки компонентов устанавливают медные плоские электроды; прижимают их с необходимым усилием; наносят паяльную пасту; устанавливают на медные электроды светодиоды, и после установки всех элементов производят пайку в конвекционной печи.