Substratos Metálicos Aislados: Construyendo un Panel LED

En este proyecto construiremos un panel LED de tamaño moderado sobre un sustrato metálico aislado (IMS), como continuación de mi proyecto de Driver LED para Estudio. En el proyecto anterior, diseñamos un conjunto de drivers LED para alimentar este panel de luz.

Este panel de luz tiene tres tipos diferentes de LED de balance de blancos de Alto Índice de Reproducción Cromática (CRI) en él: cálido, neutro y frío. Al cambiar el brillo de los diferentes balances de blancos, la luz del panel puede ajustarse para coincidir con otras iluminaciones, lo que lo hace perfecto para uso en filmaciones, pero también crea una iluminación perfecta para trabajos electrónicos. La serie de LEDs Samsung SPMWH1228MD7WA que seleccioné para este proyecto ofrece una eficiencia excepcionalmente alta para un LED de alto CRI, lo que, para la misma potencia, me dará el doble de luz que mis paneles LED comerciales existentes. Con 272 LEDs, el panel va a ser extremadamente brillante con casi 9000 lúmenes, sin embargo, al distribuirlos sobre un PCB grande tendremos una fuente de luz suave.

Como en todos mis proyectos, este panel LED es de código abierto, puedes encontrar los archivos del proyecto de Altium en mi GitHub, publicados bajo la licencia permisiva MIT. Esto te permite hacer lo que desees con los archivos de diseño, bajo tu propio riesgo, incluyendo el uso del diseño en parte o en su totalidad para fines comerciales.

¿Qué es una placa de sustrato metálico aislado?

Una placa de circuito con sustrato metálico aislado típicamente tiene una base metálica, con una capa muy delgada de FR4, con un típico foil de cobre grabado en la parte superior. También se les llama comúnmente PCBs con núcleo metálico, PCBs revestidas de metal, placas de aluminio revestido o placas con base de aluminio. El aluminio es el metal más comúnmente utilizado, sin embargo, también puedes hacerlas fabricar con una base de acero inoxidable o cobre para diseños de densidad de potencia extremadamente alta. El aluminio ofrece la opción más rentable, sin embargo, tiene algunas desventajas.

Las placas IMS de múltiples capas son generalmente menos comunes y pueden agregar mucho costo extra en comparación con una placa de una sola capa. A diferencia de una placa de circuito típica, la mayoría de las placas IMS de múltiples capas se construyen encima del sustrato metálico, resultando en una única capa de componentes. Aunque no es imposible, es menos común encontrar el sustrato metálico utilizado en el centro del conjunto de capas.

El sustrato de metal aislado tiene algunas ventajas sustanciales cuando se trata de aplicaciones de alta potencia debido a la masa térmica extra del sustrato. También se pueden encontrar en aplicaciones con grandes cargas mecánicas ya que el núcleo de metal puede soportar algunas cargas mejor que el FR-4.

La alta conductividad térmica de las placas IMS permite el empaquetado denso de componentes que generan cantidades sustanciales de calor, lo que las hace muy populares para aplicaciones de iluminación LED. La conductividad térmica del cobre es de 385W/m/K, la del aluminio es de 205W/m/K, ambas muy por delante del FR-4 que es de apenas 0.25W/m/K. Aunque múltiples planos de cobre en una placa FR-4 estándar pueden ayudar al rendimiento térmico, los sustratos gruesos de aluminio o cobre salen mucho más adelante.

Consideraciones sobre el Sustrato de Metal Aislado

Aunque las placas IMS tienen sus ventajas, también tienen algunas desventajas sustanciales para ciertas aplicaciones.

Capa Única/Lado Único

Las placas IMS más rentables tienen un solo lado de componentes y, típicamente, solo una capa de cobre. Esto impide el uso de cualquier componente de montaje a través del orificio y puede complicar el enrutamiento en circuitos más complejos. Las placas con capas de señal en ambos lados del sustrato generalmente son muy caras debido a la cantidad de procesamiento requerido. Podrías encontrar que una placa de múltiples capas, de doble cara, con núcleo de cobre es la configuración de placa de circuito más cara que puedes ordenar en muchos fabricantes.

Resistencia Dieléctrica

La delgada capa de material aislante entre los conductores de cobre y el sustrato limita el uso de las placas IMS a voltajes más bajos. Una placa IMS típica tendrá de 100um a 200um (4-8mil) de prepreg entre el conductor y el sustrato. Mientras que el FR4 típicamente está entre 20kV/mm a 54kV/mm, proporcionando una fuerza de aislamiento de 2000v para un apilado IMS típico - esto puede no ser suficiente para cumplir con los requisitos regulatorios para dispositivos alimentados por la red eléctrica. Un modo de fallo común para los LEDs alimentados por AC de la red en IMS es el colapso de la aislación.

Costo

Incluso en los fabricantes de placas chinos orientados al presupuesto, las placas IMS son mucho más caras que una placa FR-4 regular. Sin embargo, este precio ha bajado sustancialmente en los últimos años, las placas para este proyecto salieron a una décima parte del precio que estimé al planificar este proyecto hace dos años.

Deformación de la Placa/Expansión Térmica

El aluminio tiene un coeficiente de expansión térmica bastante alto, lo que puede estresar los componentes si hay un rango de temperatura de la placa que experimentará a través del calentamiento propio o del ambiente. FR4 y los conductores de cobre tienen coeficientes de expansión térmica mucho menores y, por lo tanto, las placas IMS más grandes pueden tener tendencia a convertirse en un plátano cuando se calientan, ya que el sustrato de aluminio se expande y las capas de aislamiento y conductor no lo hacen. Esto también sucede durante el reflujo, aunque si tienes una placa más pequeña probablemente no notarás el efecto.

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Diseño Esquemático del Panel

En lugar de añadir 272 LED al esquemático y conectarlos todos en serie/paralelo, estoy utilizando la función de multi-canal de Altium. Esto también va a facilitar el diseño de la placa, ya que puedo diseñar el balance de blancos una sola vez y aplicarlo a todos los demás.

Cada balance de blancos está en su propia hoja de esquemático, y solo una cadena de LED.

Luego, la hoja de esquemático de nivel superior tiene los símbolos de hoja de multi-canal para crear las cadenas paralelas de LED. Un conector y un termistor para cada canal de LED también están en la hoja superior.

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El termistor es para la protección de retroceso térmico, una característica del controlador que le permite detectar la temperatura de la placa. Una vez que el controlador detecta que la placa se está calentando demasiado, reduce la corriente de conducción para proteger los LED de sobrecalentamiento y degradar su vida útil.

Diseño de Placa de Panel

Quería que la placa tuviera 300mm de ancho, pero no tenía una altura específica en mente para la placa - decidí seguir la Proporción Áurea para determinar la altura, lo que me dio una placa de 185mm de altura. Necesito tener todos los conectores juntos en el lado derecho de la placa para permitir que el conductor se conecte con cables prefabricados. Esto define el tamaño total de la placa y el espacio de enrutamiento disponible.

Después de un primer intento fallido de intentar hacer algo interesante con la intercalación de balances de blancos, recurrí al plan B - colocar filas alternas de balances de blancos. La salida de luz al final será igual de uniformemente distribuida, sin embargo, la disposición es mucho más fácil. El principal inconveniente de hacer filas de cobre en una placa IMS es que las largas pistas de cobre principalmente en una dirección restringen la placa durante la expansión térmica, justo como un sensor de temperatura de tira bimetálica.

Para distribuir los LEDs, utilicé las habitaciones para organizar todo. Calculando el espaciado de los LEDs a lo largo de la placa, pude configurar una habitación con el espaciado correcto de LED, luego aplicar esa disposición a todas las demás habitaciones en ese canal. Con las habitaciones del tamaño correcto, pude colocar una a cada lado de la fila, luego usar la herramienta Alinear -> Distribuir Horizontalmente para tener todas las habitaciones espaciadas uniformemente en la fila. Los componentes no se mueven con las habitaciones al hacer esto - sin embargo, aplicar el formato de habitación una vez más hace que todo vuelva a una disposición espaciada uniformemente.

Con los LEDs en una disposición generalmente uniforme, tracé pistas entre los LEDs en una habitación de cada canal, luego apliqué ese formato de habitación a todas las demás habitaciones en el canal, trabajando un canal a la vez.

Para una placa tan simple como esta, ni siquiera estoy usando pistas para el enrutamiento - solo Rellenos. Hacen que sea muy fácil establecer pistas grandes como esta, aunque en una PCB "normal" no se me ocurriría enrutamiento usando un Relleno. Es una experiencia novedosa.
Rutear 3 balances de blancos en una placa de una sola capa no es posible, en algún momento las pistas necesitan cruzarse. En este punto, hay un par de opciones diferentes:

• Cambiar a una placa IMS de 2 capas.
• Usar puentes/shunts de montaje superficial para conectar sobre las otras pistas.
• Soldar cables o cinta de cobre a la placa para que actúen como puentes.

Una placa IMS de 2 capas aumenta el costo considerablemente, por lo que no estaba particularmente interesado en tomar ese enfoque. También agregaría otra capa dieléctrica entre los LEDs y el sustrato, reduciendo la transferencia térmica.

Los puentes de montaje superficial son fantásticos si quieres transmitir una gran cantidad de corriente a una distancia relativamente corta - sin embargo, las áreas que necesitaba conectar eran demasiado largas para un puente estándar, y no son particularmente rentables.

Soldar cables o cinta a la placa es rentable, pero no particularmente elegante y ciertamente carece de atractivo estético.

Después de evaluar las opciones, crear una placa de circuito personalizada para actuar como un puente para todas las conexiones a la vez fue la opción más rentable y, con el mismo acabado negro que el panel, no sería muy notorio. Opté por usar una PCB de 0.8 mm de espesor, ya que esto mantendría la placa de puente por debajo de la altura de los LED, lo que significa que no habría impacto en su salida de luz alrededor de la placa de puente.

Antes de terminar el panel principal, amplié todos los rellenos para ocupar tanto espacio como fuera posible - después de todo, estoy construyendo un panel de LED y no una placa calefactora resistiva. También agregué un orificio de montaje central, para fijarlo a una carcasa que tengo la intención de imprimir en 3D en el futuro. Este orificio de montaje debería ayudar a restringir la placa para que no se flexione y deforme durante los cambios de temperatura mientras está en funcionamiento.

También podrías notar que la placa tiene algunos alambres de aire/redes sin enrutar mostrándose. Estos se muestran porque tomé el atajo de no hacer un footprint/símbolo para la placa de puente, lo que significa que Altium piensa que están sin enrutar.

Placa de Puente

La placa de puente es un PCB extremadamente simple. Tan simple, que no me molesté en hacer un esquemático o crear huellas para ella - simplemente añadí soldadura superior y recortes de pasta en el panel, para crear almohadillas en mis pistas existentes, y hice lo mismo en la placa de puente.

Para definir el tamaño de la placa de puente y dónde necesitan conectarse las rutas, utilicé una capa mecánica en la placa del panel para definir la forma de la placa de puente y las conexiones. Luego, copié y pegué eso en un PCB en blanco.

También añadí serigrafía a la placa del panel para mostrar qué conexiones van a dónde y así facilitar la vida al probar la placa.

Para facilitar el enrutamiento de la placa de puente, creé manualmente redes en la placa usando Diseño -> Lista de redes -> Editar redes.

En un corto período de tiempo, tenía una placa de puente personalizada. En un fabricante de placas chino de bajo costo, toda la placa de circuito costó menos que un puente shunt en volumen individual, lo que la hace extremadamente rentable.

Montaje IMS DIY

En un artículo anterior hablé sobre el ensamblaje de PCBs DIY con herramientas básicas - sin embargo, las placas IMS presentan un conjunto completamente nuevo de desafíos en comparación con las placas FR-4 básicas. Tanto la masa térmica como la conductividad térmica del sustrato hacen que sea muy desafiante trabajar con ellas. Donde una simple estación de retrabajo de aire caliente es suficiente para la mayoría de las placas basadas en FR-4, una estación de retrabajo no puede proporcionar suficiente calor para superar la disipación de calor del sustrato metálico.

El ensamblaje comienza igual que con cualquier otra placa, montando tu placa en algún tipo de marco para mantener su posición, y luego adjuntando una plantilla. Utilizo una pieza de acrílico cortada con láser de 5mm de espesor como mi superficie de pasta, ya que me permite quitarla rápidamente de mi escritorio y continuar con el ensamblaje. Solía pegar el marco a mi escritorio, como la mayoría de las guías te dirán, pero realmente reduce el área de trabajo utilizable. Utilizo contornos de placa impresos en 3D para enmarcar la placa, en lugar de PCBs de repuesto como sugieren la mayoría de las guías. Estas impresiones 3D tienen un borde una capa más baja que la superficie en la que se asienta la plantilla para permitir que la cinta encaje. Al tener un borde para la cinta, la plantilla se asienta perfectamente a ras con la placa de circuito.

Después de aplicar la pasta, la placa puede ser poblada como cualquier otra placa de circuito. En este caso, con 272 LEDs y 3 termistores.

Una vez que llegues al punto en el que estés listo para realizar el reflujo de la placa, necesitarás tener una fuente de calor extra para la placa, ya que una estación de reflujo de aire caliente no va a ser de mucha utilidad por sí sola. Desafortunadamente, el sustrato de aluminio en la parte inferior de la placa es altamente reflectante, por lo que un calentador de placa por infrarrojos no ofrece mucho beneficio.

Reflujo en Parrilla Teppanyaki

El montaje DIY no es de mucha utilidad si requiere herramientas enormemente caras o grandes como un horno de reflujo de múltiples zonas. Esta PCB es demasiado grande para caber en la mayoría de los hornos tostadores, que también son populares para el montaje DIY, y demasiado grande para mi horno de Vapor Fase DIY para el cual creamos una placa de control en este blog. Después de buscar mucho por una buena solución, me decidí por una Parrilla Teppanyaki muy barata de un mercado en línea - su formato ancho era el mejor ajuste para este tamaño de placa.

Lamentablemente, como la mayoría de las parrillas/planchas, no se calienta de manera uniforme. Con un único bucle resistivo y una superficie de cocción de aluminio fundido bastante delgada, está lejos de ser ideal. Esperaba que la placa de aluminio en sí actuara para uniformar el calor bastante.

Con la placa sobre la parrilla, sigue siendo desigual, pero ligeramente mejor y algo con lo que podemos trabajar. La placa en la parrilla plantea un segundo problema: la parrilla está lejos de ser plana. Con un desagüe integrado para la grasa, la superficie se inclina hacia el centro frontal, proporcionando un contacto menos que ideal para la placa, especialmente a medida que se calienta y comienza a curvarse en los bordes. Terminé usando un par de tijeras separadas para mantener la placa presionada en varias áreas para ayudar a mejorar el contacto y aumentar la temperatura.

Si necesitara esta parrilla para ensamblar más de los tres paneles LED que estoy construyendo, haría algunos cambios que mejorarían sustancialmente su utilidad:

• Agregar una placa de aluminio suplementaria de 6mm/¼ de pulgada como difusor de calor.
• Convertirla a un controlador PID o controlador de reflujo para mejorar el control del calor.

Con el mando de calor de cocción predeterminado, vale la pena monitorear de cerca la temperatura de la parrilla. Un termopar o dos estarían bien, sin embargo, yo utilicé mi cámara térmica. Para evitar que la placa se caliente demasiado rápido, necesitas girar manualmente la temperatura hacia arriba y hacia abajo para que la energía pase a través de la bobina en ráfagas cortas. Esto también permite tiempo para que el calor del elemento se disperse. Si calientas la placa a la temperatura de reflujo demasiado rápido, habrá demasiado flujo líquido en la placa cuando el soldador se vuelva líquido, lo que resulta en la generación de bolas de soldadura a medida que el flujo hierve a través del soldador líquido. Esto también puede causar problemas para los componentes. Tener un temporizador en marcha con tus objetivos de perfil de temperatura de reflujo anotados puede ayudarte a obtener un reflujo de gran calidad.

Mientras que este enfoque es similar a refluir una placa de circuito FR-4 en una parrilla, se necesita más tiempo y cuidado con el IMS debido a su mayor conductividad térmica y masa térmica.

Un problema con el lento encendido y apagado manual para aumentar la temperatura es que el simple sensor de calor bimetálico de muchos controladores no te permitirá alcanzar la temperatura máxima necesaria para la pasta de soldar. El lento calentamiento significa que no puedes confiar en el exceso de temperatura del elemento calefactor para superar el punto de fusión del soldador. Es una buena idea tener una estación de reflujo cerca en caso de que esto suceda. La estación de reflujo puede proporcionar fácilmente el extra de energía necesario para refluir una placa precalentada. Una vez que el flujo se ha evaporado, no puedes dejar que la placa se enfríe y tratar de nuevo - sin ningún flujo, terminarás haciendo algo parecido a una cerámica con tu soldadura oxidada. Este material no se fundirá fácilmente y es increíblemente desafiante de remover de la placa o retrabajar - lo que significa que la placa y los componentes en ella probablemente necesitarán ser descartados.

El otro desafío con este enfoque puede ser enfriar la placa lentamente de acuerdo con el perfil de reflujo. Una vez que el soldador en la placa se solidificó, cubrí la placa con un par de hojas de silicona para reducir la velocidad a la que se enfriaba. Ralentizar el proceso de enfriamiento también ayudó con la deformación de la placa.

Pruebas Iniciales

Cuando pruebo un panel LED por primera vez, mi procedimiento es un poco diferente al de una placa regular, como el controlador construido para esta placa. Si uno o más de los LEDs en una serie están en cortocircuito debajo del componente, o colocados al revés, toda la serie podría tener un voltaje directo de solo un LED - incluso suministrar un voltaje completo limitado por corriente probablemente dañará ese LED mientras que el resto de los LEDs en la placa no se iluminarán.

Para probar el panel, comienzo con una fuente de laboratorio al voltaje directo de un solo LED, y el límite de corriente establecido para todo el conjunto paralelo de LEDs. Si el voltaje en la fuente se lee inmediatamente 0v o cerca, con el consumo total de corriente, entonces hay un cortocircuito directo en la placa. Una cámara térmica puede identificar rápidamente la ubicación del cortocircuito en este caso. Afortunadamente, este no fue el caso para ninguna de las placas que ensamblé.

Después de este punto, aumento lentamente el voltaje 0.5v a la vez, en una habitación oscurecida. Si hay algún problema con algún LED en una cadena, esa cadena comenzará a iluminarse antes que las demás. Si todos los LEDs de ese canal se iluminan de manera uniforme y al mismo tiempo, no solo están bien emparejados sino también libres de defectos.

En mi placa, tuve una cadena de LEDs en un canal que se iluminó antes que los demás, con un LED que no se iluminaba en absoluto. Desafortunadamente, este LED estaba montado al revés - la huella del LED significaba que esto cortocircuitaba los contactos.

Retrabajando una PCB de Aluminio

Mientras que el ensamblaje y el primer reflujo presentan sus desafíos, retrabajar una placa de circuito con sustrato de aluminio es mucho más complicado. Para retrabajar una placa, el objetivo es calentar únicamente el área que necesitas retrabajar. Llevar toda la placa a un punto de reflujo y mantenerla allí mientras se corrige es menos que óptimo. Todas las uniones de soldadura fundida se estarán oxidando y la calidad de la unión puede sufrir. Además de esto, a muchos componentes no les gusta ser refluídos múltiples veces. Por ejemplo, Samsung no recomienda más de un ciclo de reflujo para los LEDs que estoy utilizando. Mantener los capacitores electrolíticos a altas temperaturas también puede degradarlos rápidamente, y los conectores de plástico podrían deformarse si se mantienen a temperaturas elevadas.

Por lo tanto, necesitamos una manera de retrabajar una pequeña sección de la placa para arreglar el LED en cortocircuito sin calentar excesivamente toda la placa. Con el sustrato de aluminio disipando rápidamente el calor, esto no es una tarea fácil.

Similar al reflujo inicial, el control manual de la temperatura con el encendido y apagado rápido de la parrilla permite que la superficie se caliente de manera uniforme y lenta. Esto te permite aumentar lentamente la temperatura hasta un punto en el que una estación de retrabajo de aire caliente puede elevar la temperatura para fundir la soldadura.

Puedes ver el escape de aire caliente en la parte superior de la imagen térmica de la cámara, marcado a 60.5°C. Tuve que ajustar la temperatura de la estación a unos 400°C (752°F) para permitir que calentara una zona localizada rápidamente lo suficiente como para limitar la dispersión del calor. Para proteger la soldadura en el pad del LED que estaba rehaciendo, añadí una pequeña cantidad de flujo en gel alrededor del LED. A diferencia del flujo líquido, como el que se obtiene de un rotulador de flujo, el flujo en gel es muy espeso y pegajoso, por lo que no se quema rápidamente, y no se sopla ni corre. El flujo en gel es desordenado, pero para una aplicación como esta es invaluable - ¡tan invaluable que lo incluí en mi lista de herramientas imprescindibles para el prototipado de electrónica!

Como hay muy poca soldadura expuesta, es difícil saber cuándo el metal está fundido, así que seguí empujando el led desde el lado con la punta de mis pinzas para ver si podía moverse. Una vez que se movió, pude quitar rápidamente el LED y colocar uno nuevo con la orientación correcta. Probablemente podría haber reutilizado el LED sin problema, sin embargo, el fabricante no recomienda múltiples ciclos de reflujado o la reutilización de un LED, y son bastante baratos.

Operación del Panel LED

Con la reestructuración completada y el resto de los paneles revisados en busca de problemas, finalmente estaba listo para conectarlo a la placa controladora y probarlo. La placa de conexión se integra muy bien en el panel y es apenas perceptible. Con los LEDs encendidos, no hay impacto en la luz proveniente de la placa de conexión a pesar de su cercanía a varios LEDs.

Como se mencionó en el artículo sobre el diseño del controlador, este superó las expectativas de eficiencia, demostrando que las pistas anchas tienen una resistencia muy baja.

El sustrato metálico aislado funciona increíblemente bien para disipar el calor de los LEDs. De cerca, los LEDs se muestran apenas más cálidos que la placa que los rodea.

Con la parte trasera de la placa sobre mi alfombrilla de pirámides de silicona, dándole muy poco flujo de aire o conductividad, la temperatura es bastante consistente a través de la placa. Con una temperatura ambiente de 17.6°C (64°F), el aumento de temperatura de la placa una vez que alcanza un estado estacionario es de solo 17.8°C (64°F).

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