في الوقت الحاضر، هناك ثلاثة أنواع من PCB يتم تطبيقها مع LED عالية الطاقة لتبديد الحرارة: لوحة عادية مطلية بالنحاس على الوجهين (FR4)، لوحة نحاسية حساسة تعتمد على سبيكة الألومنيوم (MCPCB)، PCB بغشاء مرن مع لاصق على لوحة سبيكة الألومنيوم.
يرتبط تأثير تبديد الحرارة بطبقة النحاس وسمك الطبقة المعدنية والتوصيل الحراري للوسط العازل. يُستخدم عادةً لوح MCPCB بطبقة نحاسية 35 ميكرومتر وسبائك ألومنيوم 1.5 مم. تُلصق ألواح PCB المرنة بلوحة سبائك ألومنيوم. وبالطبع، يتميز لوح MCPCBS ذو التوصيل الحراري العالي بأفضل أداء حراري، إلا أن سعره في ارتفاع أيضًا.
هنا، استُخدمت بعض البيانات من مثال قياس درجة الحرارة لشركة NICHIA كأمثلة حسابية. الشروط كالتالي: مصباح LED: مصباح LED أبيض 3 واط، طراز MCCW022، RJC=16 درجة مئوية/واط. رأس قياس درجة حرارة نقطة من نوع K، ملحوم بمشتت الحرارة.
لوحة اختبار PCB: لوحة مطلية بالنحاس بطبقتين (40×40 مم)، t=1.6 مم، مساحة طبقة النحاس لسطح اللحام 1180 مم2، مساحة طبقة النحاس الخلفية 1600 مم2.
حالة عمل LED: IF-500mA، VF=3.97V
تم قياس درجة الحرارة TC=71 درجة مئوية باستخدام مقياس حرارة نقطي من النوع K. درجة الحرارة المحيطة TA=25 درجة مئوية.
1. يتم حساب TJ
TJ=RJC x PD+TC=RJC (IF x VF)+TC
TJ=16 درجة مئوية/واط(500 مللي أمبير × 3.97 فولت)
+71 درجة مئوية = 103 درجة مئوية
2. يتم حساب RBA
RBA=(TC-TA)/PD
=(71 درجة مئوية - 25 درجة مئوية)/1.99 واط
=23.1 درجة مئوية/واط
3. يتم حساب RJA
RJA=RJC+RBA
=16 درجة مئوية/واط + 23.1 درجة مئوية
=39.1 درجة مئوية
إذا كان TJmax المُصمم -90 درجة مئوية، فإن TJ المحسوب وفقًا للشروط المذكورة أعلاه لا يفي بمتطلبات التصميم. يجب تغيير لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) ذات تبديد حرارة أفضل أو زيادة مساحة تبديد الحرارة، ثم إعادة الاختبار والحساب حتى يصبح TJ≤TJmax.
هناك طريقة أخرى وهي عندما تكون قيمة UC الخاصة بمصباح LED كبيرة جدًا، VF=3.65V عند استبدال RJC=9℃/WIF=500mA، تظل الظروف الأخرى دون تغيير، ويمكن حساب T) على النحو التالي:
TJ = 9 درجة مئوية / واط + 71 درجة مئوية (500 مللي أمبير * 3.65 فولت) = 87.4 درجة مئوية
يوجد خطأ في حساب درجة الحرارة المذكورة أعلاه (71 درجة مئوية)، لذا يجب لحام مصباح LED جديد بقدرة 9 درجات مئوية وات لإعادة اختبار TC (القيمة المقاسة أقل قليلاً من 71 درجة مئوية). لا يهم ذلك. بعد استخدام مصباح LED بقدرة 9 درجات مئوية/واط، لا حاجة لتغيير مادة ومساحة لوحة الدوائر المطبوعة، مما يُلبي متطلبات التصميم.
المشتت الحراري على الجزء الخلفي من لوحة الدوائر المطبوعة
إذا كانت قيمة TJmax المحسوبة أكبر بكثير من متطلبات التصميم، ولم يسمح الهيكل بمساحة إضافية، يُنصح بلصق لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) مرة أخرى بملف الألومنيوم على شكل حرف "U" (أو ختم لوحة الألومنيوم)، أو لصقها بالمشتت الحراري. تُستخدم هاتان الطريقتان عادةً في تصميم مصابيح LED متعددة عالية الطاقة. على سبيل المثال، في مثال الحساب أعلاه، يُلصق مشتت حراري بقوة 10 درجات مئوية/واط على الجزء الخلفي من لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) بحيث تكون قيمة TJ=103 درجات مئوية، وينخفض TJ إلى حوالي 80 درجة مئوية.
تجدر الإشارة هنا إلى أن TC المذكور أعلاه يُقاس عند درجة حرارة الغرفة (عادةً ما تتراوح بين 15 و30 درجة مئوية). إذا كانت درجة حرارة محيط مصباح LED TA أعلى من درجة حرارة الغرفة، فإن TJ الفعلي يكون أعلى من TJ المحسوب المُقاس عند درجة حرارة الغرفة، لذا يجب مراعاة هذا العامل عند التصميم. إذا أُجري الاختبار في منظم الحرارة، فمن الأفضل ضبط درجة الحرارة على أعلى درجة حرارة محيطة عند الاستخدام.
بالإضافة إلى ذلك، سواءً تم تركيب لوحة الدوائر المطبوعة أفقيًا أو رأسيًا، فإن ظروف تبديد الحرارة تختلف، مما يؤثر بشكل ما على قياس TC. كما أن مادة هيكل المصباح وحجمه وفتحة تبديد الحرارة تؤثر أيضًا على تبديد الحرارة. لذلك، يجب مراعاة مرونة التصميم.
وقت النشر: ٢٣ مارس ٢٠٢٢
