Substrati Metallici Isolati: Costruzione di un Pannello LED

In questo progetto costruiremo un pannello LED di dimensioni moderate su substrato metallico isolato (IMS), come prosecuzione del mio progetto Studio LED Driver. Nel progetto precedente, abbiamo progettato un set di driver LED per alimentare questo pannello luminoso.

Questo pannello luminoso ha tre diversi tipi di LED con bilanciamento del bianco ad alto CRI High CRI LED types su di esso, caldo, neutro e freddo. Cambiando la luminosità dei diversi bilanciamenti del bianco, la luce del pannello può essere regolata per corrispondere ad altre illuminazioni, rendendolo perfetto per l'uso cinematografico - ma anche creando un'illuminazione perfetta per il lavoro elettronico. La serie di LED Samsung SPMWH1228MD7WA che ho selezionato per questo progetto offre un'efficienza eccezionalmente alta per un LED ad alto CRI, che, per la stessa potenza, mi darà il doppio della luce rispetto ai miei pannelli LED commerciali esistenti. Con 272 LED, il pannello sarà estremamente luminoso con quasi 9000 lumen, tuttavia distribuendoli su un grande PCB avremo una fonte di luce morbida.

Come per tutti i miei progetti, questo pannello LED è open source, potete trovare i file di progetto di Altium sul mio GitHub, rilasciati sotto la permissiva licenza MIT. Questo vi permette di fare ciò che desiderate con i file di progetto, a vostro rischio, inclusa l'utilizzazione del design in parte o interamente per scopi commerciali.

Cosa è una scheda con substrato metallico isolato

Una scheda di circuito con substrato metallico isolato ha tipicamente una base metallica, con uno strato molto sottile di FR4, con un tipico foglio di rame inciso sulla parte superiore. Sono anche comunemente chiamate PCB con nucleo metallico, PCB rivestite in metallo, schede con base in alluminio o schede in alluminio. L'alluminio è il metallo più comunemente utilizzato, tuttavia è possibile anche farle produrre con una base in acciaio inossidabile o in rame per design di estremamente alta densità di potenza. L'alluminio offre l'opzione più economica, tuttavia presenta alcuni svantaggi.

Le schede IMS multistrato sono generalmente meno comuni e possono aggiungere molti costi extra rispetto a una scheda monostato. A differenza di una tipica scheda di circuito, la maggior parte delle schede IMS multistrato sono costruite sopra il substrato metallico, risultando in un unico strato di componenti. Sebbene non sia impossibile, è meno comune trovare il substrato metallico utilizzato al centro dello stack di strati.

Il substrato metallico isolato presenta alcuni vantaggi sostanziali quando si tratta di applicazioni ad alto wattaggio a causa della maggiore massa termica del substrato. Possono anche essere trovati in applicazioni con grandi carichi meccanici poiché il nucleo metallico può sopportare alcuni carichi meglio del FR-4.

La elevata conducibilità termica delle schede IMS consente il denso imballaggio di componenti che generano notevoli quantità di calore, il che le rende molto popolari per le applicazioni di illuminazione a LED. La conducibilità termica del rame è di 385W/m/K, quella dell'alluminio è di 205W/m/K, entrambe nettamente superiori al FR-4 che è solo 0,25W/m/K. Sebbene più piani di rame in una scheda FR-4 standard possano aiutare le prestazioni termiche - i substrati spessi di alluminio o rame sono nettamente più vantaggiosi.

Considerazioni sul Substrato Metallico Isolato

Sebbene le schede IMS abbiano i loro vantaggi, presentano anche alcuni svantaggi sostanziali per certe applicazioni.

Strato Singolo/Lato Singolo

Le schede IMS più economiche hanno un solo lato componente e tipicamente solo un singolo strato di rame. Questo impedisce l'uso di componenti attraverso foro e può rendere complessa la realizzazione dei percorsi per circuiti più complessi. Le schede con strati di segnale su entrambi i lati del substrato sono generalmente molto costose a causa della quantità di lavorazione richiesta. Potresti scoprire che una scheda multistrato, a doppia faccia, con nucleo in rame è la configurazione di scheda elettronica più costosa che puoi ordinare presso molti produttori.

Forza Dielettrica

Il sottile strato di materiale isolante tra i conduttori in rame e il substrato limita l'uso delle schede IMS a tensioni più basse. Una tipica scheda IMS avrà da 100um a 200um (4-8mil) di prepreg tra il conduttore e il substrato. Mentre l'FR4 è tipicamente tra 20kV/mm a 54kV/mm, fornendo una forza di isolamento di 2000v per un tipico impilamento IMS - questo potrebbe non essere sufficiente per soddisfare i requisiti normativi per dispositivi alimentati dalla rete elettrica. Una modalità comune di guasto per i LED alimentati in AC dalla rete su IMS è la rottura dell'isolamento.

Costo

Anche presso i produttori cinesi di schede orientati al risparmio, le schede IMS sono molto più costose rispetto a una normale scheda in FR-4. Tuttavia, il prezzo è notevolmente diminuito negli ultimi anni, tanto che le schede per questo progetto sono costate un decimo del prezzo che avevo stimato quando ho pianificato questo progetto due anni fa.

Deformazione della Scheda/Espansione Termica

L'alluminio ha un coefficiente di espansione termica piuttosto elevato, il che può stressare i componenti se la scheda dovesse sperimentare un intervallo di temperature a causa del riscaldamento autonomo o dell'ambiente circostante. FR4 e i conduttori in rame hanno coefficienti di espansione termica molto più piccoli e, quindi, le schede IMS più grandi possono tendere a curvarsi come una banana quando riscaldate, poiché il substrato di alluminio si espande e gli strati di isolamento e di conduttore non lo fanno. Questo accade anche durante il riflusso, anche se con una scheda più piccola probabilmente non si noterà l'effetto.

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Progettazione Schematica del Pannello

Invece di aggiungere 272 LED allo schema elettrico e collegarli tutti in serie/parallelo, sto sfruttando la funzione multi-canale di Altium. Questo renderà anche più semplice la disposizione del circuito stampato, poiché posso progettare l'equilibrio del bianco una sola volta e applicarlo a tutti gli altri.

Ogni equilibrio del bianco si trova sul proprio foglio schematico, e consiste in una singola stringa di LED.

Poi, il foglio schematico di livello superiore ha i simboli dei fogli multi-canale per creare le stringhe parallele di LED. Un connettore e un termistore per ogni canale LED sono anche presenti sul foglio superiore.

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Il termistore serve per la protezione da ripiegamento termico, una caratteristica del driver che gli permette di rilevare la temperatura della scheda. Una volta che il driver rileva che la scheda si sta surriscaldando, riduce la corrente di alimentazione per proteggere i LED dal surriscaldamento e dalla riduzione della loro durata.

Progettazione di Pannelli di Circuiti Stampati

Volevo che la scheda fosse larga 300mm, ma non avevo in mente un'altezza specifica per la scheda - ho deciso di utilizzare il Rapporto Aureo per determinare l'altezza, ottenendo così una scheda alta 185mm. Ho bisogno di avere tutti i connettori insieme sul lato destro della scheda per permettere al driver di collegarsi con cavi preassemblati. Questo definisce la dimensione totale della scheda e lo spazio disponibile per il routing.

Dopo un primo tentativo fallito di fare qualcosa di interessante con l'interlacciamento dei bilanciamenti del bianco, sono passato al piano B - disponendo file alternate di bilanciamenti del bianco. L'emissione luminosa finale sarà distribuita altrettanto uniformemente, tuttavia la disposizione è molto più semplice. Il principale svantaggio di fare file di rame su una scheda IMS è che le lunghe tracce di rame principalmente in una direzione costringono la scheda durante l'espansione termica, proprio come un sensore di temperatura a striscia bimetallica.

Per disporre i LED, ho fatto uso delle stanze per organizzare tutto. Calcolando la spaziatura dei LED sulla scheda, sono stato in grado di impostare una stanza con la spaziatura corretta dei LED, per poi applicare quell'arrangiamento a tutte le altre stanze in quel canale. Con le stanze della dimensione corretta, potevo posizionarne una su ciascun lato della fila, poi utilizzare lo strumento Allinea -> Distribuisci Orizzontalmente per avere tutte le stanze uniformemente spaziate nella fila. I componenti non si muovono con le stanze quando si fa questo - tuttavia, applicando nuovamente il formato stanza si riporta tutto a un arrangiamento uniformemente spaziato.

Con i LED disposti in modo generalmente uniforme, ho tracciato le piste tra i LED in una stanza di ogni canale, poi ho applicato quel formato di stanza a tutte le altre stanze nel canale, lavorando un canale alla volta.

Per una scheda così semplice come questa, non sto nemmeno usando le piste per il routing - solo Riempimenti. Rendono molto facile disporre piste grandi come queste, anche se su una PCB "normale" non sognerei mai di fare il routing usando un Riempimento. È un'esperienza nuova.
Il routing di 3 bilanciamenti del bianco su un circuito stampato monofaccia non è possibile, a un certo punto è necessario che le piste si incrocino. A questo punto ci sono un paio di opzioni diverse:

• Passare a un circuito IMS a 2 strati.
• Utilizzare jumper/ponticelli montati in superficie per collegare le altre tracce.
• Saldare fili o nastro di rame al circuito per fungere da jumper.

Un circuito IMS a 2 strati aumenta notevolmente il costo, quindi non ero particolarmente incline a prendere questa strada. Aggiungerebbe anche un altro strato dielettrico tra i LED e il substrato, riducendo il trasferimento termico.

I jumper montati in superficie sono fantastici se si desidera trasmettere una grande quantità di corrente su una distanza relativamente breve - tuttavia, le aree che avevo bisogno di collegare erano troppo lunghe per un jumper commerciale, e non sono particolarmente economici.

Saldare fili o nastro al circuito è economico, ma non particolarmente elegante e sicuramente manca di appeal estetico.

Dopo aver valutato le opzioni, creare un circuito stampato personalizzato per fungere da ponticello per tutte le connessioni contemporaneamente è risultata l'opzione più conveniente e, avendo lo stesso colore nero del pannello, non sarebbe stato molto evidente. Ho scelto di utilizzare un PCB spesso 0,8 mm, poiché ciò avrebbe mantenuto il ponticello al di sotto dell'altezza dei LED, significando che non ci sarebbe stato alcun impatto sulla loro emissione luminosa intorno al ponticello.

Prima di completare il pannello principale, ho ingrandito tutti i riempimenti per occupare più spazio possibile - dopotutto, sto costruendo un pannello LED e non una scheda riscaldante resistiva. Ho anche aggiunto un foro di montaggio centrale, per fissarlo a un involucro che intendo stampare in 3D in futuro. Questo foro di montaggio dovrebbe aiutare a limitare la flessione della scheda in modo che non si deformi durante i cambiamenti di temperatura mentre è in funzione.

Potresti anche notare che la scheda presenta alcuni fili aerei/net non tracciati. Questi sono visualizzati perché ho preso la scorciatoia di non creare un footprint/simbolo per il ponticello, il che significa che Altium pensa che siano non tracciati.

Ponticello

La scheda di collegamento è un PCB estremamente semplice. Così semplice, che non mi sono preoccupato di realizzare uno schema o di creare impronte per esso - ho semplicemente aggiunto tagli di saldatura e pasta sulla parte superiore del pannello, per creare pad sui miei tracciati esistenti, e ho fatto lo stesso sulla scheda di collegamento.

Per definire le dimensioni della scheda di collegamento e dove devono connettersi i percorsi, ho utilizzato uno strato meccanico sul pannello per definire la forma della scheda di collegamento e le connessioni. Poi ho copiato e incollato ciò su un PCB vuoto.

Ho anche aggiunto serigrafie sul pannello per mostrare quali connessioni vanno dove per rendere la vita più facile quando si testa la scheda.

Per facilitare il routing della scheda di collegamento, ho creato manualmente reti sulla scheda utilizzando Design -> Netlist -> Modifica Reti.

In breve tempo, ho avuto una scheda di collegamento personalizzata. Presso un fabbricante di schede cinese a basso costo, l'intera scheda circuitale è costata meno di un jumper shunt in volume singolo rendendola estremamente conveniente.

Assemblaggio IMS fai-da-te

In un articolo precedente ho parlato dell'assemblaggio fai-da-te di PCB con strumenti di base - tuttavia, le schede IMS presentano una serie completamente nuova di sfide rispetto alle schede FR-4 di base. Sia la massa termica che la conducibilità termica del substrato rendono il lavoro molto impegnativo. Dove una semplice stazione di rilavorazione ad aria calda è sufficiente per la maggior parte delle schede basate su FR-4, una stazione di rilavorazione non può fornire abbastanza calore per superare l'assorbimento di calore del substrato metallico.

L'assemblaggio inizia allo stesso modo di qualsiasi altra scheda, montando la tua scheda in una sorta di telaio per mantenere la sua posizione, e poi attaccando uno stencil. Uso un pezzo di acrilico tagliato al laser spesso 5mm come superficie per la pasta, poiché mi permette di toglierlo rapidamente dalla mia scrivania e procedere con l'assemblaggio. Prima fissavo il telaio alla mia scrivania con del nastro adesivo, come la maggior parte delle guide ti dirà, ma questo riduce davvero l'area di lavoro utilizzabile. Uso dei contorni stampati in 3D per inquadrare la scheda, piuttosto che PCB di scarto come suggeriscono la maggior parte delle guide. Queste stampe 3D hanno un bordo un strato più basso rispetto alla superficie su cui si appoggia lo stencil per permettere al nastro di adattarsi. Avendo un bordo per il nastro, lo stencil si posiziona perfettamente a filo con la scheda circuitale.

Dopo aver applicato la pasta, la scheda può essere popolata come qualsiasi altra scheda elettronica. In questo caso, con 272 LED e 3 termistori.

Quando si arriva al punto in cui si è pronti per rifondere la scheda, è necessario avere una fonte di calore aggiuntiva per la scheda, poiché una stazione di rifusione ad aria calda da sola non è molto utile. Sfortunatamente, il substrato di alluminio sul fondo della scheda è altamente riflettente, quindi un riscaldatore a infrarossi per schede non offre molti vantaggi.

Griglia Teppanyaki per Rifusione

L'assemblaggio fai-da-te non offre molti vantaggi se richiede strumenti enormemente costosi o ingombranti come un forno di rifusione a zone multiple. Questa PCB è troppo grande per entrare nella maggior parte dei forni tostapane, che sono anche popolari per l'assemblaggio fai-da-te, ed è troppo grande per il mio forno a Fase di Vapore fai-da-te per il quale abbiamo creato una scheda di controllo su questo blog. Dopo molte ricerche per trovare una buona soluzione, ho optato per una griglia Teppanyaki molto economica da un mercato online - il suo formato ampio era la scelta migliore per una scheda di questa dimensione.

Purtroppo, come la maggior parte delle griglie/piastre, non si riscalda in modo molto uniforme. Con un unico circuito resistivo e una superficie di cottura in alluminio pressofuso piuttosto sottile, è ben lontano dall'ideale. Speravo che la piastra in alluminio di per sé agisse per uniformare molto di più il calore.

Con la piastra sulla griglia, il calore è ancora disomogeneo, ma leggermente migliore e qualcosa con cui possiamo lavorare. La piastra sulla griglia solleva una seconda questione: la griglia è tutt'altro che piatta. Con un drenaggio integrato per il grasso, la superficie pende verso il centro anteriore, fornendo un contatto meno che ideale per la piastra - specialmente quando la piastra si riscalda e inizia a incurvarsi ai bordi. Ho finito per usare un paio di forbici aperte per tenere premuta la piastra in varie aree per aiutare a migliorare il contatto e aumentare la temperatura.

Se avessi bisogno di questa griglia per assemblare più dei tre pannelli LED che sto costruendo, apporterei alcune modifiche che ne migliorerebbero sostanzialmente l'utilità:

• Aggiungere una piastra supplementare in alluminio da 6mm/¼ di pollice come diffusore di calore.
• Convertirla in un controller PID o in un controller per riflusso per migliorare il controllo del calore.

Con il manopola di regolazione del calore di default, è importante monitorare attentamente la temperatura della griglia. Un termocoppia o due andrebbero bene, tuttavia ho usato la mia telecamera termica. Per evitare che la scheda si riscaldi troppo velocemente, è necessario regolare manualmente la temperatura su e giù per far passare corrente attraverso la bobina a brevi intervalli. Questo permette anche al calore dell'elemento di diffondersi. Se si riscalda la scheda alla temperatura di riflusso troppo velocemente, ci sarà troppo flusso liquido sulla scheda quando la saldatura diventa fusa, il che risulta nella generazione di palline di saldatura mentre il flusso bolle attraverso la saldatura fusa. Questo può causare anche problemi ai componenti. Avere un timer in funzione con i tuoi obiettivi di profilo di temperatura di riflusso annotati può aiutarti a ottenere un riflusso di grande qualità.

Mentre questo approccio è simile al riflusso di una scheda circuitale FR-4 su una griglia, è necessario prestare più attenzione e cura con l'IMS a causa della sua maggiore conducibilità termica e massa termica.

Un problema con l'interruzione manuale lenta per aumentare e diminuire il calore è che molti sensori di calore bi-metallici semplici dei controller non permettono di raggiungere la temperatura massima necessaria per la pasta saldante. L'aumento lento del calore significa che non si può contare sul superamento della temperatura da parte dell'elemento riscaldante per superare il punto di fusione della saldatura. È una buona idea avere una stazione di riflusso nelle vicinanze nel caso ciò accada. La stazione di riflusso può facilmente fornire quel po' di energia in più per rifluire una scheda preriscaldata. Una volta che il flusso si è evaporato, non si può lasciare raffreddare la scheda e provare di nuovo - senza flusso, si creerà qualcosa di simile a una ceramica con la saldatura ossidata. Questo materiale non si fonderà facilmente ed è incredibilmente difficile da rimuovere dalla scheda o da rilavorare - il che significa che la scheda e i componenti su di essa dovranno molto probabilmente essere scartati.

Un'altra sfida con questo approccio può essere raffreddare lentamente la scheda secondo il profilo di riflusso. Una volta che la saldatura sulla scheda si è solidificata, ho coperto la scheda con un paio di fogli di silicone per ridurre la velocità di raffreddamento. Rallentare il processo di raffreddamento ha aiutato anche a prevenire la deformazione della scheda.

Test Iniziali

Quando testo un pannello LED per la prima volta, la mia procedura è un po' diversa rispetto a una scheda regolare come il driver costruito per questa scheda. Se uno o più dei LED in una stringa sono cortocircuitati sotto il componente, o posizionati al contrario, l'intera stringa potrebbe avere una tensione diretta di solamente un singolo LED - anche fornire una tensione piena limitata dalla corrente è probabile che danneggi quel LED mentre il resto dei LED sulla scheda non si illumina.

Per testare il pannello, inizio con un alimentatore da laboratorio alla tensione diretta di un singolo LED, e il limite di corrente impostato per l'intero set parallelo di LED. Se la tensione sull'alimentatore legge immediatamente 0v o vicino, con il pieno assorbimento di corrente, allora c'è un cortocircuito diretto sulla scheda. Una telecamera termica può rapidamente identificare la posizione del corto in questo caso. Fortunatamente, questo non è stato il caso per nessuna delle schede che ho assemblato.

Dopo questo punto, aumento lentamente la tensione di 0,5v alla volta, in una stanza oscurata. Se c'è un problema con qualsiasi LED in una stringa, quella stringa inizierà ad illuminarsi prima delle altre. Se tutti i LED di quel canale si illuminano uniformemente e contemporaneamente, significa che non solo sono ben abbinati, ma anche privi di difetti.

Sulla mia scheda, avevo una stringa di LED su un canale che si illuminava prima degli altri, con un LED che non si illuminava affatto. Sfortunatamente, questo LED era montato al contrario - il footprint del LED ha causato il cortocircuito dei contatti.

Rilavorazione di un PCB in Alluminio

Mentre l'assemblaggio e la prima rifusione presentano le loro sfide, la rilavorazione di una scheda a circuito stampato con substrato in alluminio è molto più complessa. Per rilavorare una scheda, l'obiettivo è riscaldare solo l'area che necessita di intervento. Portare l'intera scheda a un punto di rifusione e mantenerla in tale stato mentre si corregge è meno che ottimale. Tutti i giunti di saldatura fusi si ossideranno e la qualità dei giunti può risentirne. In aggiunta a ciò, molti componenti non tollerano bene molteplici cicli di rifusione. Ad esempio, Samsung non raccomanda più di un ciclo di rifusione per i LED che sto utilizzando. Mantenere i condensatori elettrolitici ad alte temperature può anche degradarli rapidamente, e i connettori in plastica potrebbero deformarsi se tenuti a temperature elevate.

Di conseguenza, abbiamo bisogno di un modo per rilavorare una piccola sezione della scheda per correggere il LED in cortocircuito senza surriscaldare eccessivamente l'intera scheda. Con il substrato in alluminio che diffonde rapidamente il calore, questo non è un compito così semplice.

Similmente alla rifusione iniziale, il controllo manuale della temperatura con l'accensione e lo spegnimento rapido del grill permette alla superficie di riscaldarsi in modo uniforme e lento. Ciò consente di aumentare lentamente la temperatura fino a un punto in cui una stazione di rilavorazione ad aria calda può piccare la temperatura per fondere la saldatura.

Puoi vedere l'uscita dell'aria calda nella parte superiore dell'immagine termica qui sopra, segnata a 60,5°C. Ho dovuto impostare la temperatura della stazione a circa 400°C (752°F) per consentirle di riscaldare rapidamente un'area locale in modo da limitare la diffusione del calore. Per proteggere la saldatura sul pad del LED che stavo rilavorando, ho aggiunto una piccola quantità di flussante in gel intorno al LED. A differenza del flussante liquido, come quello che si ottiene da un pennarello per flussante, il flussante in gel è molto denso e appiccicoso, quindi non si brucia rapidamente e non viene soffiato via o scorre. Il flussante in gel è disordinato, ma per un'applicazione come questa è inestimabile - così inestimabile che è entrato nella mia lista di strumenti indispensabili per la prototipazione elettronica!

Poiché c'è molto poca saldatura esposta, è difficile capire quando il metallo è fuso, quindi ho continuato a premere il LED dal lato con le punte delle mie pinzette per vedere se poteva muoversi. Una volta che si è mosso, sono stato in grado di rimuovere rapidamente il LED e inserirne uno nuovo con l'orientamento corretto. Probabilmente avrei potuto riutilizzare il LED senza problemi, tuttavia il produttore non raccomanda cicli multipli di riflusso o la rilavorazione di un LED, e sono piuttosto economici.

Funzionamento del Pannello LED

Con il lavoro di riparazione completato e il resto dei pannelli controllato per eventuali problemi, ero finalmente pronto per collegarlo alla scheda driver e testarlo. La scheda di collegamento si integra molto bene nel pannello ed è appena percettibile. Con i LED accesi, non c'è impatto sulla luce proveniente dalla scheda di collegamento nonostante la sua vicinanza a diversi LED.

Come menzionato nell'articolo di progettazione del driver, il driver ha superato le aspettative di efficienza, mostrando che le tracce larghe hanno una resistenza molto bassa.

Il substrato metallico isolato funziona incredibilmente bene nel dissipare il calore dai LED. Da vicino, i LED appaiono appena più caldi del circuito intorno a loro.

Con il retro del circuito sul mio tappetino piramidale in silicone, che gli offre molto poco flusso d'aria o conducibilità, la temperatura è abbastanza costante su tutto il circuito. Con una temperatura ambiente di 17,6°C (64°F), l'aumento di temperatura del circuito una volta raggiunto uno stato stazionario è di soli 17,8°C (64°F).

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