Вопрос №32 Техпроцесс монтажа светодиодных матриц и чипов светодиодов на платы.

Суть монтажа светодиода заключается в обеспечении эффективного охлаждения полупроводникового кристалла и электроизоляции основания светодиода от радиатора.

Для монтажа мощных светодиодов используют алюминиевые платы различных размеров или подложки типа «звезда». Подложка для светодиода и алюминиевая плата выполняют одну и туже роль – изоляция основания светодиода от радиатора, отвод тепла.

При изготовлении светодиода для обеспечения высокоэффективного отвода тепла непосредственно от полупроводникового кристалла, его приваривают анодом к металлическому сердечнику светодиода. Таким образом, основание мощного светодиода является его анодом. Без электроизоляции, радиатор, на который устанавливаются светодиоды, получается проводником, замыкающий аноды всех светодиодов. Такая схема работать не будет. Последний светодиод цепочки получает прямое подключение к драйверу, из-за большого напряжения светодиод выходит из строя.

Рисунок 1.1 – Подключение светодиодов.

Алюминиевые платы и подложки изготавливают из нескольких слоев. Основание – алюминиевый лист, на него наносится диэлектрик (изолятор), далее медный проводящий слой (дорожки), наружный диэлектрик, слой специального лака. Диэлектрик, используемый при изготовлении таких плат, обладает высокой теплопроводящей способностью. Вся конструкция платы обеспечивает хороший отвод тепла и электроизоляцию.

Установка светодиода на подложки или платы в заводских условиях выполняется с применением специальной паяльной пасты. При такой технологии светодиод припаивается основанием к теплоотводной площадке алюминиевой платы. Такой метод обеспечивает высокий уровень отвода тепла и исключает его ухудшение, например из-за высыхания теплопроводящей пасты. Так же допускается установка светодиода на алюминиевую плату или подложку с помощью качественной теплопроводящей пасты.

При установке алюминиевой платы или подложки на радиатор необходимо использовать теплопроводящую пасту, предназначение которой заключается в улучшении теплового контакта между платой и радиатором. Для удобства установки подложек типа «звезда» рекомендуется применять теплопроводящий клей, обеспечивающий хорошую тепло проводимость и достаточно высокую адгезию подложки к радиатору.

Наносить теплопроводящую пасту или клей необходимо тонким и равномерным слоем на одну из поверхностей. Затем следует сильно сжать поверхности и потереть их друг об друга с небольшой амплитудой это обеспечит равномерное растекание пасты. По возможности паста не должна выступать за края алюминиевой платы или подложки. Важно помнить что толстый слой теплопроводящей пасты или клея значительно ухудшает тепловой контакт.

Для охлаждения тепловыделяющих элементов в радиоэлектроники использую радиаторы. Отвод тепла от радиаторов в атмосферу осуществляется двумя способами:

1) излучение тепловых волн в атмосферу, тепловая конвекция;

2) турбулентная конвекция.

Первый способ относится к пассивному охлаждению, часть энергии передается в атмосферу лучистым инфракрасным потоком, а часть за счет циркуляции воздуха нагретого от поверхности радиатора.

Второй способ является активным. В системах с турбулентной конвекцией используют вентиляторы, компрессоры или иные механические устройства создающие воздушный поток.

Оба способа имеют свои преимущества и недостатки. Что касательно светодиодной техники наибольшее распространение получила пассивная система охлаждения не имеющая вращающихся механизмов и не требующая периодического обслуживания. К недостаткам пассивной системы охлаждения относится необходимость устанавливать большой, достаточно тяжелый и дорогой теплоотвод. Самыми распространенными являются радиаторы из алюминиевых сплавов. Для активной системы охлаждения в большинстве случаев достаточно плоского алюминиевого листа размером не больше размера светильника обдуваемого вентилятором. Активный метод охлаждение обладает производительностью в несколько десятков раз выше, чем пассивный метод. Но жесткие климатические условия, больше количество пыли, особенно на открытом воздухе, не позволяют устанавливать такие системы повсеместно.

Возвращаемся непосредственно к светодиодам. Оптимальным температурным режимом работы светодиода считается температура до 65С. Однако чем она ниже, тем выше КПД светодиода и больше его ресурс работы. Хорошо когда температура на поверхности радиатора светодиодного источника света не превышает 45С. Для пассивного охлаждения одного светодиода мощностью 1W его следует установить на алюминиевый радиатор площадью 30-35см2. Для светодиода 3W эта площадь увеличивается ровно в 2 раза, т.е. 60-70см2. В качестве радиатора лучше всего подходит алюминий как наиболее легкий, относительно не дорогой материал. При расчете радиатора для светодиодных матриц за основу необходимо брать 35см на 1Вт.

Для активных систем охлаждения площадь радиатора может быть уменьшена до 10 раз. На светодиод 1W достаточно 3-3, 5см2.

При подключении светодиодов, необходимо соблюдать некоторые предосторожности:

1) Нельзя подключать светодиоды к источнику питания без применения определенного драйвера или ограничителя тока. Иначе, это может привести к некорректной работе светодиода или поломке.

2) Рекомендуется производить последовательное соединение светодиодов, если используется один резистор. При параллельном соединении с использованием одного резистора, возможно возникновение вероятности разброса параметров, что неизбежно приведет поломке светодиодов.

3) Нельзя последовательно соединять светодиоды, у которых рабочий ток имеет разные значения. Это может привести к тому, что один из светодиодов будет работать на износ, либо не достаточно ярко светить.

4) Запрещено использовать резистор с недостаточным сопротивлением, так как ток, который протекает через светодиод, окажется большим. Как следствие, при завышенных значениях тока, возникает перегрев светодиода, что приведет к уменьшению срока службы, а также это приведет к падению яркости свечения светодиода.