PCBにおける熱管理：LED照明の寿命延長

LED照明は エネルギー効率に革命をもたらしましたが その性能と寿命は 重要な要素の一つである 熱管理に依存していますLEDは80%のエネルギーを光に変換しますが 残りの20%は部品を分解するのに十分な熱を発生しますLED 接続温度を10°C上昇させれば 寿命が50%短縮され,強力な熱管理機能を持つPCBは 機能だけでなく 必要となります.このように,PCB設計と材料の最適化により LED照明が50年持続する.産業用灯具や屋外路灯などの高ストレスアプリケーションでも

重要な教訓

• LED 接続温度は 125°C以下に保たなければならない.過熱はルメン減価と部品の故障を引き起こす.
• メタルコアPCB (MCPCB) と高熱ラミナートは,従来のFR-4ボードよりも3~5倍早く熱を散布します.
• 適切なPCB設計は,痕跡幅,銅厚さ,熱シンク統合を含む熱抵抗を最大40%削減します.
• IPC-2221 と LM-80 のような業界標準は,信頼性の高いLED性能のための熱管理のベストプラクティスをガイドします.

熱ストレスの科学 熱がLEDを殺す理由

LEDは,電流を半導体を通し,交差点 (層間のインターフェース) で熱を生成するプロセスで動作する.この熱は迅速に脱出しなければならない:

a. 85°Cの交差温度では,LEDは通常5万時間持続します.
105°Cで寿命は2万5千時間まで下がります
125°Cでは 潜在寿命の1/5まで減ります

熱は他のコンポーネントも分解します.溶接接器が割れ,コンデンサーが乾燥し,光学レンズは黄色になります.熱管理の不良により 10年分のLEDは 2年分の交換になります..

設計と材料の解決策
PCBはLED灯具における主要な熱伝導体として機能し,LED接続から熱吸収器または環境へ熱を誘導する.効果的な熱管理は2つの柱に依存する:材料の選択と設計の最適化..

1熱伝導性に関する問題
熱消耗 に つい て は,すべての PCB が 均等 で は あり ませ ん.下 の 表 は,一般的な 材料 を 比較 し て い ます.

注: 熱伝導性は,材料が熱をどれだけ好ましく伝達するか測定する.より高い値はより速い散布を意味する.
アルミニウムコアPCB (MCPCB) は,銅コアのコストなしでFR-4よりも熱伝達の300%の改善を提供します.例えば,MCPCBを使用した100WLED投光灯が 75°Cの交差点温度を維持するFR-4の設計は 110°Cに達し 切断寿命は70%になります

2. 熱散を高める設計技術
適正な材料であっても,不良PCB設計は熱を閉じ込めます.これらの戦略は熱性能を最大化します:
a.銅の厚さ:より厚い銅 (2oz vs 1oz) は熱流量を50%増加させる. 2ozの銅層 (70μm) は熱高速道路のように作用し,薄い代替品よりも PCB 上に熱をより速く拡散する.
b.Trace Layout: 幅広く,短くなる痕跡は熱抵抗を低下させる. 50W LEDでは,ホットスポットを避けるために幅が少なくとも 3mm にならなければならない.
c.熱線:プラテッド・バイアス (直径0.3~0.5mm) は,LEDパッドをPCBの底層に接続し,熱パイプとして作用する.LEDの下にある3x3のバイアスグリッドは,温度を15°C低下させる.
d.ヒートシンク統合:PCBをアルミヒートシンクに直接結合 (熱パスタまたは0.5W/m·K伝導性のある接着剤を使用) することで,二次的な熱脱出路が追加されます.
照明研究センターの研究によると これらのデザインの調整を組み合わせると 商用ダウンライトのLEDの寿命が 3万から 6万時間まで延長できるという.

特定のLEDアプリケーションにおける熱管理
異なる環境では,個別化されたソリューションが求められます.PCBを重要な用例に最適化する方法は以下です.

屋外照明 (ストリートライト,フロードライト)
a.屋外LEDは極端な温度 (-40°C~60°C) と湿度に対応します.
b. 湿度抵抗のために厚い介電層 (100μm) を有するアルミMCPCBを使用する.
c.PCBの裏側にフィニング式ヒートシンクを追加します.これは150W以上の固定装置にとって重要です.
例:これらの仕様を使用した路灯は5年後に90%のルメン出力を維持し,FR-4ベースの設計では50%を維持した.

自動車照明 (ヘッドライト,バックライト)
振動やホッポットの下の熱 (125°Cまで) は頑丈な設計を必要とします.
a.銅コアPCBは高温に対応し,その硬さは振動損傷に耐える.
b. LED 配列の近くで熱経路を使用し,狭いヘッドライトの囲いでホットスポットを防止する.
c.コンプライアンス:PCB設計のためのAEC-Q102 (LEDコンポーネント標準) とIPC-2221を満たす.

室内商業用照明 (オフィス,小売)
スペースの制限や暗くするサイクルにより,コンパクトな効率が求められます.
薄いアルミMCPCBは浅い装置に収まる 1オンス銅は熱とコストをバランスします
b.熱槽を簡単に固定するための設計 (例えば,前もって穴を掘った設置穴).
c.利益: 代替品が少なくなるため,小売チェーンでの維持費は40%削減されます.

試験と検証:熱性能を保証する
シミュレーションに頼らないで リアルなテストで検証してください
a.熱画像:FLIRカメラはホットスポットを識別します (PCBの端にある環境より<10°Cの目標).
b.LM-80 試験:この業界標準は,85°Cと105°Cで6,000時間以上でルメン減量を測定し,Energy Star要件を満たすことを保証します.
c.熱抵抗 (Rθ) の計算:高電力のLEDでは,Rθ <5°C/W (コンセントと環境) を目標とする.100WのLEDでは,コンセントの温度を85°C (25°C環境+100W x 5°C/W) 以下の温度に保つ.

よくある質問
Q: PCBの厚さは熱管理にどのように影響する?
A: 厚いPCB (1.6mm対0.8mm) は熱を拡散するためのより多くの材料を提供しますが,コア材料はより重要です. 1.6mmのアルミMCPCBは3.2mmのFR-4ボードを上回ります.
Q: 柔軟なPCBはLED熱を処理できますか?
A: はい,しかし,低電力LED (<10W) に限ります. 1オンス銅の柔軟なポリアミドPCBは,ストライプ照明で動作しますが,高温アプリケーションではそれらを避けます.2W/m·K) は,硬いMCPCBよりも低い...
MCPCBへのアップグレードのコスト影響は?
A: アルミMCPCBはPCBのコストに ~20%を加えるが,寿命が長く,交換量が少なくなるため,全体的な所有コストを 50%削減する.

結論
信頼性の高いLED照明の骨組みです.適切な材料 (ほとんどのアプリケーションのためのアルミMCPCBs),設計の最適化 (熱経路,厚い銅生産者にとって,これはより満足した顧客,より低い保証請求,急速に成長しているLEDマ