Substrats Métalliques Isolés : Construction d'un Panneau LED

Dans ce projet, nous allons construire un panneau LED de taille modérée sur un substrat métallique isolé (IMS), en suivant mon projet de pilote LED pour studio. Dans le projet précédent, nous avons conçu un ensemble de pilotes LED pour alimenter ce panneau lumineux.

Ce panneau lumineux dispose de trois types de LED à balance des blancs différente LED à haut IRC, chaud, neutre et froid. En changeant la luminosité des différentes balances des blancs, la lumière du panneau peut être ajustée pour correspondre à d'autres éclairages, ce qui le rend parfait pour une utilisation cinématographique - mais aussi pour créer un éclairage parfait pour le travail électronique. La série de LED Samsung SPMWH1228MD7WA que j'ai sélectionnée pour ce projet offre une efficacité exceptionnellement élevée pour une LED à haut IRC, qui, pour la même puissance, me donnera deux fois plus de lumière que mes panneaux LED commerciaux existants. Avec 272 LED, le panneau va être extrêmement lumineux avec presque 9000 lumens, cependant en les répartissant sur un grand PCB, nous aurons une source de lumière douce.\

Comme pour tous mes projets, ce panneau LED est open source, vous pouvez trouver les fichiers de projet Altium sur mon GitHub, publiés sous la licence permissive MIT. Cela vous permet de faire ce que vous voulez avec les fichiers de conception, à vos propres risques, y compris utiliser la conception en partie ou en totalité à des fins commerciales.

Qu'est-ce qu'une carte à substrat métallique isolé

Une carte de circuit à substrat métallique isolé a typiquement une base métallique, avec une couche très mince de FR4, surmontée d'une feuille de cuivre gravée. Elles sont également communément appelées PCB à âme métallique, PCB revêtus de métal, à base d'aluminium ou cartes à base d'aluminium. L'aluminium est le métal le plus couramment utilisé, cependant, elles peuvent aussi être fabriquées avec une base en acier inoxydable ou en cuivre pour des conceptions de très haute densité de puissance. L'aluminium offre l'option la plus rentable, cependant, il présente certains inconvénients.

Les cartes IMS multicouches sont généralement moins courantes et peuvent ajouter beaucoup de coûts supplémentaires par rapport à une carte à une seule couche. Contrairement à une carte de circuit typique, la plupart des cartes IMS multicouches sont construites au-dessus du substrat métallique, résultant en une seule couche de composants. Bien que ce ne soit pas impossible, il est moins courant de trouver le substrat métallique utilisé au centre de l'empilement des couches.

Le substrat métallique isolé présente des avantages considérables pour les applications à haute puissance en raison de la masse thermique supplémentaire du substrat. Ils peuvent également être trouvés dans des applications avec de grandes charges mécaniques car le noyau métallique peut supporter certaines charges mieux que le FR-4.

La haute conductivité thermique des cartes IMS permet un emballage dense de composants qui génèrent des quantités substantielles de chaleur, ce qui les rend très populaires pour les applications d'éclairage LED. La conductivité thermique du cuivre est de 385W/m/K, celle de l'aluminium est de 205W/m/K, toutes deux étant largement supérieures à celle du FR-4 à seulement 0.25W/m/K. Alors que plusieurs plans de cuivre dans une carte FR-4 standard peuvent aider à la performance thermique - les substrats épais en aluminium ou en cuivre sont de loin supérieurs.

Considérations sur le Substrat Métallique Isolé

Bien que les cartes IMS aient leurs avantages, elles présentent également des inconvénients substantiels pour certaines applications.

Simple Couche / Simple Face

Les cartes IMS les plus rentables ont un seul côté composant et typiquement seulement une couche de cuivre. Cela exclut l'utilisation de tout composant traversant et peut rendre le routage difficile pour des circuits plus complexes. Les cartes avec des couches de signal des deux côtés du substrat sont généralement très coûteuses en raison de la quantité de traitement nécessaire. Vous pourriez trouver qu'une carte à plusieurs couches, double face, avec un noyau en cuivre est la configuration de carte de circuit la plus chère que vous pouvez commander chez de nombreux fabricants.

Résistance Diélectrique

La fine couche de matériau isolant entre les conducteurs en cuivre et le substrat limite l'utilisation des cartes IMS à des tensions plus basses. Une carte IMS typique aura de 100um à 200um (4-8mil) de prepreg entre le conducteur et le substrat. Alors que le FR4 est typiquement entre 20kV/mm à 54kV/mm, offrant une résistance à l'isolation de 2000v pour un empilement IMS typique - cela peut ne pas être suffisant pour répondre aux exigences réglementaires pour les dispositifs alimentés par le secteur. Un mode de défaillance courant pour les LED alimentées par le courant alternatif du secteur sur les IMS est la rupture de l'isolation.

Coût

Même chez les fabricants chinois de cartes orientés budget, les cartes IMS sont bien plus chères qu'une carte FR-4 classique. Cependant, le prix a considérablement diminué au cours des dernières années, les cartes pour ce projet sont revenues à un dixième du prix que j'avais estimé lors de la planification de ce projet il y a deux ans.

Déformation de la carte / Expansion thermique

L'aluminium a un coefficient d'expansion thermique assez élevé, ce qui peut stresser les composants si la carte subit une plage de températures due à l'autochauffage ou à l'environnement ambiant. Le FR4 et les conducteurs en cuivre ont des coefficients d'expansion thermique beaucoup plus faibles et, par conséquent, les grandes cartes IMS peuvent avoir tendance à se courber comme une banane lorsqu'elles sont chauffées, car le substrat en aluminium se dilate et les couches d'isolation et de conducteurs ne le font pas. Cela se produit également pendant le refusion, bien que si vous avez une petite carte, vous ne remarquerez probablement pas l'effet.

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Conception schématique du panneau

Plutôt que d'ajouter 272 LED au schéma et de les connecter toutes en série/parallèle, j'utilise la fonction multi-canal d'Altium. Cela va également faciliter l'agencement de la carte, car je peux juste concevoir l'équilibre des blancs une fois, et appliquer cela à tous les autres.

Chaque équilibre des blancs est sur sa propre feuille de schéma, et juste une seule chaîne de LED.

Ensuite, la feuille de schéma de niveau supérieur contient les symboles de feuille multi-canal pour créer les chaînes parallèles de LED. Un connecteur et un thermistor pour chaque canal de LED sont également sur la feuille supérieure.

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Le thermistor sert à la protection contre le repli thermique, une fonctionnalité du pilote qui lui permet de détecter la température de la carte. Une fois que le pilote détecte que la carte devient trop chaude, il réduit le courant d'entraînement pour protéger les LED de la surchauffe et de la dégradation de leur durée de vie.

Conception de Panneau de Carte

Je voulais que la carte soit large de 300 mm, mais je n'avais pas en tête une hauteur spécifique pour la carte - j'ai décidé d'utiliser le Ratio d'Or pour déterminer la hauteur, ce qui me donne une carte de 185 mm de haut. Je dois regrouper tous les connecteurs sur le côté droit de la carte pour permettre au conducteur de se connecter avec des câbles préfabriqués. Cela définit la taille totale de la carte et l'espace de routage disponible.

Après une première tentative échouée d'essayer de faire quelque chose d'intéressant avec l'entrelacement des balances des blancs, je suis revenu au plan B - disposer des rangées alternées de balances des blancs. La sortie lumineuse à la fin sera tout aussi uniformément distribuée, cependant la disposition est beaucoup plus simple. Le principal inconvénient de faire des rangées de cuivre sur une carte IMS est que les longues pistes de cuivre principalement dans une direction contraignent la carte lors de l'expansion thermique, tout comme un capteur de température à bande bimétallique.

Pour disposer les LED, j'ai utilisé les zones pour tout organiser. En calculant l'espacement des LED sur la carte, j'ai pu configurer une zone avec l'espacement correct des LED, puis appliquer cet arrangement à toutes les autres zones de ce canal. Avec les zones de la bonne taille, je pouvais en placer une de chaque côté de la rangée, puis utiliser l'outil Aligner -> Distribuer Horizontalement pour que toutes les zones soient également espacées dans la rangée. Les composants ne se déplacent pas avec les zones lors de cette opération - cependant, appliquer à nouveau le format de zone permet de retrouver un arrangement uniformément espacé.

Avec les LED disposées de manière généralement uniforme, j'ai routé des pistes entre les LED dans une zone de chaque canal, puis appliqué ce format de zone à toutes les autres zones du canal, en travaillant un canal à la fois.

Pour une carte aussi simple que celle-ci, je n'utilise même pas de pistes pour le routage - juste des Remplissages. Ils rendent très facile la création de grandes pistes comme celles-ci, bien que sur un PCB "normal", je n'imaginerais pas router en utilisant un Remplissage. C'est une expérience nouvelle.
Le routage de 3 balances des blancs sur une carte à couche unique n'est pas possible, à un moment donné, les pistes doivent se croiser. Il y a alors plusieurs options possibles :

• Passer à une carte IMS à 2 couches.
• Utiliser des cavaliers ou shunts montés en surface pour franchir les autres pistes.
• Souder des fils ou du ruban de cuivre sur la carte pour faire office de cavaliers.

Une carte IMS à 2 couches augmente considérablement le coût, donc je n'étais pas particulièrement enclin à adopter cette approche. Cela ajouterait également une autre couche diélectrique entre les LED et le substrat, réduisant le transfert thermique.

Les cavaliers montés en surface sont fantastiques si vous souhaitez faire passer une grande quantité de courant sur une distance relativement courte - cependant, les zones que je devais relier étaient tout simplement trop longues pour un cavalier disponible dans le commerce, et ils ne sont pas particulièrement rentables.

Souder des fils ou du ruban sur la carte est rentable, mais pas particulièrement élégant et manque certainement d'attrait esthétique.

Après avoir pesé les options, créer une carte de circuit imprimée personnalisée pour agir comme un pont pour toutes les connexions en même temps était l'option la plus rentable et, avec la même finition noire que le panneau, ne serait pas très remarquable. J'ai choisi d'utiliser une PCB de 0,8 mm d'épaisseur, car cela permettrait de garder la carte de pontage en dessous de la hauteur des LED, ce qui signifie qu'il n'y aurait aucun impact sur leur sortie de lumière autour de la carte de pontage.

Avant de terminer le panneau principal, j'ai agrandi tous les remplissages pour occuper le plus d'espace possible - après tout, je construis un panneau LED et non une carte de chauffage résistif. J'ai également ajouté un trou de montage central, pour l'attacher à un boîtier que j'ai l'intention d'imprimer en 3D à l'avenir. Ce trou de montage devrait aider à contraindre la carte pour qu'elle ne se plie et ne se déforme pas lors des changements de température en fonctionnement.

Vous pourriez également remarquer que la carte présente des fils aériens/réseaux non routés. Ils sont affichés parce que j'ai pris le raccourci de ne pas créer d'empreinte/symbole pour la carte de pontage, ce qui signifie qu'Altium pense qu'ils ne sont pas routés.

Carte de Pontage

La carte de liaison est un PCB extrêmement simple. Tellement simple, que je n'ai pas pris la peine de réaliser un schéma ou de créer des empreintes pour cela - j'ai simplement ajouté des découpes de soudure et de pâte sur le panneau, pour créer des pads sur mes pistes existantes, et j'ai fait de même sur la carte de liaison.

Pour définir la taille de la carte de liaison et où les routes doivent se connecter, j'ai utilisé une couche mécanique sur le panneau pour définir la forme de la carte de liaison et les connexions. J'ai ensuite copié et collé cela sur un PCB vierge.

J'ai également ajouté du marquage sur le panneau pour indiquer quelles connexions vont où afin de faciliter la vie lors du test de la carte.

Pour faciliter le routage de la carte de liaison, j'ai créé manuellement des réseaux sur la carte en utilisant Conception -> Liste de connexions -> Modifier les réseaux.

En peu de temps, j'avais une carte de liaison personnalisée. Chez un fabricant de cartes chinois à faible coût, l'ensemble du circuit imprimé coûtait moins cher qu'un cavalier shunt en volume unique, ce qui le rendait extrêmement rentable.

Assemblage IMS DIY

Dans un article précédent, j'ai parlé de l'assemblage de PCB DIY avec des outils de base - cependant, les cartes IMS présentent un tout nouvel ensemble de défis par rapport aux cartes FR-4 de base. Tant la masse thermique que la conductivité thermique du substrat rendent le travail très difficile. Alors qu'une simple station de reprise à air chaud suffit pour la plupart des cartes basées sur FR-4, une station de reprise ne peut pas fournir assez de chaleur pour surmonter l'absorption de chaleur du substrat métallique.

L'assemblage commence de la même manière que pour toute autre carte, en montant votre carte dans une sorte de cadre pour maintenir sa position, puis en attachant un pochoir. J'utilise une pièce découpée au laser en acrylique de 5mm d'épaisseur comme surface de pâte, car cela me permet de la retirer rapidement de mon bureau et de continuer avec l'assemblage. Avant, je fixais le cadre à mon bureau avec du ruban adhésif, comme la plupart des guides vous le diront, mais cela réduit vraiment la surface de travail utilisable. J'utilise des contours de carte imprimés en 3D pour encadrer la carte, plutôt que des PCB de rechange comme la plupart des guides le suggèrent. Ces impressions 3D ont un rebord une couche plus basse que la surface sur laquelle repose le pochoir pour permettre au ruban adhésif de s'ajuster. En ayant un rebord pour le ruban, le pochoir se positionne parfaitement à plat avec la carte électronique.

Après l'application de la pâte, la carte peut être peuplée comme toute autre carte de circuit. Dans ce cas, avec 272 LED et 3 thermistances.

Une fois que vous êtes prêt à procéder au reflow de la carte, vous devez disposer d'une source de chaleur supplémentaire pour la carte, car une station de reflow à air chaud ne sera pas très utile par elle-même. Malheureusement, le substrat en aluminium au bas de la carte est très réfléchissant, donc un chauffage de carte infrarouge n'offre pas beaucoup d'avantages.

Grill Teppanyaki pour Reflow

L'assemblage DIY n'est pas très avantageux s'il nécessite des outils extrêmement coûteux ou volumineux comme un four de reflow à zones multiples. Cette PCB est trop grande pour tenir dans la majorité des fours grille-pain, qui sont également populaires pour l'assemblage DIY, et trop grande pour mon four à phase de vapeur DIY pour lequel nous avons créé une carte de contrôle sur ce blog. Après beaucoup de recherches pour une bonne solution, j'ai opté pour un Grill Teppanyaki très bon marché d'un marché en ligne - son format large était le mieux adapté pour cette taille de carte.

Malheureusement, comme la plupart des grils/planchas, il ne chauffe pas de manière très uniforme. Avec une seule boucle résistive et une surface de cuisson en aluminium moulé assez mince, c'est loin d'être idéal. J'espérais que la plaque en aluminium elle-même agirait pour uniformiser beaucoup la chaleur.

Avec la plaque sur le gril, c'est toujours inégal, mais légèrement mieux et quelque chose avec lequel nous pouvons travailler. La plaque sur le gril soulève un second problème : le gril est loin d'être plat. Avec un drain intégré pour la graisse, la surface s'incline vers le centre avant, offrant un contact moins qu'idéal pour la plaque - surtout lorsque la plaque chauffe et commence à se courber sur les bords. J'ai fini par utiliser une paire de ciseaux écartés pour maintenir la plaque en place dans diverses zones afin d'améliorer le contact pour augmenter la température.

Si j'avais besoin de ce gril pour assembler plus que les trois panneaux LED que je construis, je ferais quelques changements qui amélioreraient considérablement son utilité :

• Ajouter une plaque supplémentaire en aluminium de 6mm/¼ pouce comme diffuseur de chaleur.
• Le convertir en un contrôleur PID ou en contrôleur de refusion pour améliorer le contrôle de la chaleur.

Avec le bouton de réglage de chaleur par défaut, il est important de surveiller de près la température du grill. Un thermocouple ou deux feraient l'affaire, cependant, j'ai utilisé ma caméra thermique. Pour éviter que la carte ne chauffe trop rapidement, vous devez manuellement augmenter et diminuer la température pour que le courant passe à travers la bobine par courtes impulsions. Cela permet également à la chaleur de l'élément de se répartir. Si vous chauffez la carte à la température de refusion trop rapidement, il y aura trop de flux liquide sur la carte lorsque la soudure deviendra liquide, ce qui entraîne la formation de billes de soudure lorsque le flux bout à travers la soudure fondue. Cela peut également causer des problèmes pour les composants. Avoir un minuteur en marche avec vos objectifs de profil de température de refusion notés peut vous aider à obtenir une refusion de grande qualité.

Bien que cette approche soit similaire à celle de la refusion d'une carte de circuit imprimé FR-4 sur un grill, plus de temps et de soin doivent être pris avec l'IMS en raison de sa plus grande conductivité thermique et de sa masse thermique.

Un problème avec la commutation manuelle lente pour augmenter et diminuer la chaleur est que de nombreux contrôleurs avec un simple capteur de chaleur bimétallique ne vous permettront pas d'atteindre la température maximale nécessaire pour la pâte à souder. Le lent réchauffement signifie que vous ne pouvez pas compter sur le dépassement de température de l'élément chauffant pour dépasser le point de fusion de la soudure. Il est judicieux d'avoir une station de refusion à proximité au cas où cela se produirait. La station de refusion peut facilement fournir le petit supplément d'énergie nécessaire pour refondre une carte préchauffée. Une fois que le flux s'est évaporé, vous ne pouvez pas laisser la carte refroidir et essayer à nouveau - sans aucun flux, vous allez créer quelque chose qui ressemble à de la céramique avec votre soudure oxydée. Ce matériau ne fondra pas facilement et est incroyablement difficile à retirer de la carte ou à retravailler - ce qui signifie que la carte et les composants qui y sont montés devront très probablement être jetés.

L'autre défi avec cette approche peut être de refroidir la carte lentement selon le profil de refusion. Une fois que la soudure sur la carte a solidifié, j'ai couvert la carte de quelques feuilles de silicone pour réduire la vitesse de refroidissement. Ralentir le processus de refroidissement a également aidé à réduire le gauchissement de la carte.

Tests Initiaux

Lorsque je teste un panneau LED pour la première fois, ma procédure est un peu différente de celle d'une carte classique, comme le pilote conçu pour cette carte. Si une ou plusieurs des LED d'une chaîne sont en court-circuit sous le composant, ou placées à l'envers, la tension directe de l'ensemble de la chaîne pourrait correspondre à celle d'une seule LED - même en appliquant une tension complète limitée par le courant, il est probable que cette LED soit endommagée tandis que le reste des LED sur la carte ne s'allume pas.

Pour tester le panneau, je commence avec une alimentation de laboratoire à la tension directe d'une seule LED, et la limite de courant réglée pour l'ensemble parallèle des LED. Si la tension sur l'alimentation lit immédiatement 0v ou s'en approche, avec le tirage de courant complet, alors il y a un court-circuit direct sur la carte. Une caméra thermique peut rapidement identifier l'emplacement du court-circuit dans ce cas. Heureusement, cela n'a pas été le cas pour aucune des cartes que j'ai assemblées.

Après ce point, j'augmente lentement la tension de 0,5v à la fois, dans une pièce assombrie. Si un problème survient avec l'une des LED d'une chaîne, cette chaîne commencera à s'illuminer avant les autres. Si toutes les LED de ce canal s'allument uniformément, et en même temps, cela signifie qu'elles sont non seulement bien appariées mais aussi exemptes de défauts.

Sur ma carte, j'avais une chaîne de LED sur un canal qui s'est allumée plus tôt que les autres, avec une LED qui ne s'allumait pas du tout. Malheureusement, cette LED était montée à l'envers - l'empreinte de la LED a donc court-circuité les contacts.

Réparation d'une carte PCB en aluminium

Bien que l'assemblage et le premier refusion présentent leurs défis, retravailler une carte à circuit imprimé à substrat en aluminium est beaucoup plus difficile. Pour retravailler une carte, l'objectif est de chauffer uniquement la zone nécessitant une intervention. Porter l'ensemble de la carte à un point de refusion et la maintenir dans cet état pendant que la carte est corrigée est loin d'être optimal. Toutes les soudures en fusion vont s'oxyder et la qualité des joints peut en pâtir. De plus, de nombreux composants n'apprécient pas d'être refondus plusieurs fois. Par exemple, Samsung ne recommande pas plus d'un cycle de refusion pour les LED que j'utilise. Maintenir des condensateurs électrolytiques à des températures élevées peut également les dégrader rapidement, et les connecteurs en plastique pourraient se déformer s'ils sont maintenus à des températures élevées.

Par conséquent, nous avons besoin d'une méthode pour retravailler une petite section de la carte afin de réparer la LED en court-circuit sans chauffer excessivement l'ensemble de la carte. Avec le substrat en aluminium qui dissipe rapidement la chaleur, cela n'est pas une tâche facile.

Comme pour la première refusion, le contrôle manuel de la température en allumant et éteignant rapidement le grill permet à la surface de chauffer de manière uniforme et lente. Cela vous permet de monter lentement la température jusqu'à un point où une station de reprise à air chaud peut augmenter la température pour faire fondre la soudure.

Vous pouvez voir l'évacuation de l'air chaud en haut de l'image thermique ci-dessus, marquée à 60,5°C. J'ai dû régler la température de la station à environ 400°C (752°F) pour lui permettre de chauffer rapidement une zone locale afin de limiter la propagation de la chaleur. Pour protéger la soudure sur le pad de la LED que je retravaillais, j'ai ajouté une petite quantité de flux en gel autour de la LED. Contrairement au flux liquide, comme celui que vous obtenez d'un stylo à flux, le flux en gel est très épais et collant, donc il ne se volatilise pas rapidement, et ne se disperse pas sous l'effet du souffle ou ne coule pas. Le flux en gel est salissant, mais pour une application comme celle-ci, il est inestimable - tellement inestimable qu'il a fait son entrée dans ma liste d'outils indispensables pour le prototypage électronique !

Comme il y a très peu de soudure exposée, il est difficile de savoir quand le métal est en fusion, donc je continuais à pousser la LED sur le côté avec la pointe de ma pince à épiler pour voir si elle pouvait bouger. Une fois qu'elle a bougé, j'ai pu rapidement retirer la LED et en placer une nouvelle dans le bon sens. J'aurais probablement pu réutiliser la LED sans problème, cependant le fabricant ne recommande pas plusieurs cycles de refusion ou de retravail sur une LED, et elles sont assez bon marché.

Fonctionnement du panneau LED

Avec la réparation terminée et le reste des panneaux vérifiés pour détecter d'éventuels problèmes, j'étais enfin prêt à le connecter à la carte de commande et à le tester. La carte de connexion s'intègre très bien au panneau et est à peine visible. Avec les LED allumées, il n'y a aucun impact sur la lumière provenant de la carte de connexion malgré sa proximité avec plusieurs LED.

Comme mentionné dans l'article sur la conception du pilote, le pilote a dépassé les attentes en matière d'efficacité, montrant que les traces larges ont une très faible résistance.

Le substrat métallique isolé fonctionne incroyablement bien pour évacuer la chaleur des LED. De près, les LED apparaissent à peine plus chaudes que le panneau autour d'elles.

Avec le dos du panneau sur mon tapis en silicone en forme de pyramide, lui offrant très peu de flux d'air ou de conductivité, la température est assez constante sur l'ensemble du panneau. Avec une température ambiante de 17,6°C, l'augmentation de la température du panneau une fois qu'il atteint un état stable n'est que de 17,8°C.

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