Substratos Metálicos Isolados: Construindo um Painel de LED

Neste projeto, estaremos construindo um painel de LED de tamanho moderado em substrato de metal isolado (IMS), como continuação do meu projeto de Driver de LED para Estúdio. No projeto anterior, projetamos um conjunto de drivers de LED para alimentar este painel de luz.

Este painel de luz possui três diferentes tipos de LED de Alto Índice de Reprodução de Cor (CRI) com balanços de branco distintos: quente, neutro e frio. Alterando o brilho dos diferentes balanços de branco, a luz do painel pode ser ajustada para combinar com outras iluminações, tornando-a perfeita para uso em filmagens - mas também criando a iluminação ideal para trabalhos eletrônicos. A série de LEDs Samsung SPMWH1228MD7WA que selecionei para este projeto oferece uma eficiência excepcionalmente alta para um LED de Alto CRI, o que, para a mesma potência, me dará o dobro de luz em comparação com meus painéis de LED comerciais existentes. Com 272 LEDs, o painel será extremamente brilhante com quase 9000 lumens, no entanto, ao espalhá-los por uma grande PCB, teremos uma fonte de luz suave.

Assim como em todos os meus projetos, este painel de LED é de código aberto, você pode encontrar os arquivos do projeto Altium no meu GitHub, liberados sob a licença permissiva MIT. Isso permite que você faça o que desejar com os arquivos de design, por sua conta e risco, incluindo usar o design parcial ou integralmente para fins comerciais.

O que é uma Placa de Substrato Metálico Isolado

Uma placa de circuito de substrato metálico isolado tipicamente possui uma base metálica, com uma camada muito fina de FR4, com uma folha de cobre gravada na parte superior. Elas também são comumente chamadas de PCBs de Núcleo Metálico, PCBs Revestidas de Metal, placas de Base de Alumínio ou placas de Alumínio Revestido. O alumínio é o metal mais comum usado, no entanto, você também pode tê-las fabricadas com uma base de aço inoxidável ou cobre para designs de densidade de potência extremamente alta. O alumínio oferece a opção mais custo-efetiva, no entanto, ele tem algumas desvantagens.

Placas IMS de múltiplas camadas são geralmente menos comuns e podem adicionar muito custo extra em comparação com uma placa de camada única. Diferente de uma placa de circuito típica, a maioria das placas IMS de múltiplas camadas são construídas em cima do substrato metálico, resultando em uma única camada de componentes. Embora não seja impossível, é menos comum encontrar o substrato metálico usado no centro do empilhamento de camadas.

O substrato de metal isolado possui algumas vantagens substanciais quando se trata de aplicações de alta potência devido à massa térmica extra do substrato. Eles também podem ser encontrados em aplicações com grandes cargas mecânicas, pois o núcleo de metal pode suportar algumas cargas melhor do que o FR-4.

A alta condutividade térmica das placas IMS permite o empacotamento denso de componentes que geram quantidades substanciais de calor, o que as torna muito populares para aplicações de iluminação LED. A condutividade térmica do cobre é de 385W/m/K, a do alumínio é de 205W/m/K, ambas muito à frente do FR-4, que é de apenas 0,25W/m/K. Embora múltiplas camadas de cobre em uma placa FR-4 padrão possam ajudar no desempenho térmico - substratos grossos de alumínio ou cobre saem muito à frente.

Considerações sobre o Substrato de Metal Isolado

Embora as placas IMS tenham suas vantagens, elas também apresentam algumas desvantagens substanciais para certas aplicações.

Camada Única/Lado Único

As placas IMS mais econômicas possuem um único lado de componentes e, tipicamente, apenas uma camada de cobre. Isso impede o uso de componentes through hole e pode tornar o roteamento desafiador para circuitos mais complexos. Placas com camadas de sinal em ambos os lados do substrato geralmente são muito caras devido à quantidade de processamento necessário. Você pode descobrir que uma placa multicamada, de dois lados, com núcleo de cobre é a configuração de placa de circuito mais cara que você pode encomendar em muitos fabricantes.

Força Dielétrica

A fina camada de material isolante entre os condutores de cobre e o substrato limita o uso das placas IMS a tensões mais baixas. Uma placa IMS típica terá de 100um a 200um (4-8mil) de prepreg entre o condutor e o substrato. Enquanto o FR4 está tipicamente entre 20kV/mm a 54kV/mm, proporcionando uma força de isolamento de 2000v para uma pilha IMS típica - isso pode não ser suficiente para atender aos requisitos regulatórios para dispositivos alimentados pela rede elétrica. Um modo comum de falha para LEDs alimentados por AC da rede em IMS é a quebra de isolamento.

Custo

Mesmo nas fabricantes chinesas orientadas para orçamentos, as placas IMS são muito mais caras do que uma placa FR-4 regular. No entanto, o preço caiu substancialmente nos últimos anos, e as placas para este projeto saíram por um décimo do preço que eu havia estimado ao planejar este projeto há dois anos.

Deformação da Placa/Expansão Térmica

O alumínio tem um coeficiente de expansão térmica relativamente alto, o que pode estressar os componentes se houver uma faixa de temperatura da placa que a placa experimentará por meio do aquecimento próprio ou do ambiente. FR4 e os condutores de cobre têm coeficientes de expansão térmica muito menores e, portanto, placas IMS maiores podem ter a tendência de se curvar como uma banana quando aquecidas, já que o substrato de alumínio se expande e as camadas de isolamento e condutor não se expandem. Isso também acontece durante o reflow, embora se você tiver uma placa menor, provavelmente não notará o efeito.

Pronto para começar a projetar placas de Substrato Metálico Isolado de classe mundial? Fale com um especialista na Altium para começar com o Altium Designer, ou baixe uma versão de avaliação gratuita hoje mesmo!

Projeto Esquemático do Painel

Em vez de adicionar 272 LEDs ao esquemático e conectá-los todos em série/paralelo, estou utilizando o recurso de multi-canal do Altium. Isso também vai facilitar o layout da placa, pois posso apenas projetar o balanceamento de branco uma vez e aplicar isso a todos os outros.

Cada balanceamento de branco está em sua própria folha de esquemático, e apenas uma única cadeia de LEDs.

Então, a folha de esquemático de nível superior tem os símbolos de folha de multi-canal para criar as cadeias paralelas de LEDs. Um conector e um termistor para cada canal de LED também estão na folha superior.

Se você acha que o design Multi-Canal vai economizar tempo em seus próprios projetos, que tal inscrever-se para um teste gratuito do Altium Designer?

O termistor é para proteção contra recuo térmico, uma característica do driver que permite detectar a temperatura da placa. Uma vez que o driver detecta que a placa está ficando muito quente, ele reduz a corrente de acionamento para proteger os LEDs de superaquecimento e degradar sua vida útil.

Design de Placa de Painel

Eu queria que a placa tivesse 300mm de largura, mas não tinha uma altura específica em mente para a placa - decidi usar a Proporção Áurea para determinar a altura, resultando em uma placa com 185mm de altura. Preciso ter todos os conectores juntos no lado direito da placa para permitir que o motorista se conecte com cabos pré-fabricados. Isso define o tamanho total da placa e o espaço disponível para roteamento.

Após uma tentativa inicial fracassada de tentar fazer algo interessante com o entrelaçamento de balanços de branco, recorri ao plano B - dispor filas alternadas de balanços de branco. A saída de luz no final será igualmente distribuída, no entanto, o layout é muito mais fácil. A principal desvantagem de fazer filas de cobre em uma placa IMS é que as longas trilhas de cobre, principalmente em uma direção, restringem a placa durante a expansão térmica, assim como um sensor de temperatura de tira bimetálica.

Para posicionar os LEDs, utilizei os espaços para organizar tudo. Calculando o espaçamento dos LEDs pela placa, consegui configurar um espaço com o espaçamento correto de LED e, em seguida, aplicar essa disposição a todos os outros espaços naquele canal. Com os espaços do tamanho correto, pude colocar um de cada lado da fila e, em seguida, usar a ferramenta Alinhar -> Distribuir Horizontalmente para ter todos os espaços uniformemente distribuídos na fila. Os componentes não se movem com os espaços ao fazer isso - no entanto, aplicar o formato do espaço mais uma vez traz tudo de volta a uma disposição uniformemente espaçada.

Com os LEDs dispostos de maneira geralmente uniforme, tracei trilhas entre os LEDs em um espaço de cada canal e, em seguida, apliquei esse formato de espaço a todos os outros espaços no canal, trabalhando um canal de cada vez.

Para uma placa tão simples como esta, nem estou usando trilhas para roteamento - apenas Preenchimentos. Eles facilitam muito o desenho de trilhas grandes assim, embora em uma PCB "normal" eu não sonharia em rotear usando um Preenchimento. É uma experiência nova.
Roteamento de 3 balanços de branco em uma placa de camada única não é possível, em algum momento as trilhas precisam se cruzar. Há algumas opções diferentes neste ponto:

• Mudar para uma placa IMS de 2 camadas.
• Usar jumpers/shunts de montagem superficial para fazer a ponte sobre as outras trilhas.
• Soldar fios ou fita de cobre na placa para atuar como jumpers.

Uma placa IMS de 2 camadas aumenta consideravelmente o custo, então eu não estava particularmente inclinado a adotar essa abordagem. Isso também adicionaria outra camada dielétrica entre os LEDs e o substrato, reduzindo a transferência térmica.

Jumpers de montagem superficial são fantásticos se você quer transmitir uma grande quantidade de corrente por uma distância relativamente curta - no entanto, as áreas que eu precisava fazer a ponte eram longas demais para um jumper disponível no mercado, e eles não são particularmente custo-efetivos.

Soldar fios ou fita na placa é custo-efetivo, mas não particularmente elegante e certamente falta apelo estético.

Após avaliar as opções, criar uma placa de circuito personalizada para atuar como um jumper para todas as conexões de uma vez foi a opção mais econômica e, com o mesmo acabamento preto da placa do painel, não seria muito perceptível. Optei por usar uma PCB de 0,8 mm de espessura, pois isso manteria a placa de jumper abaixo da altura dos LEDs, o que significa que não haveria impacto na saída de luz deles ao redor da placa de jumper.

Antes de finalizar o painel principal, aumentei todos os preenchimentos para ocupar o máximo de espaço possível - afinal, estou construindo um painel de LED, não uma placa de aquecimento resistivo. Também adicionei um furo de montagem central, para fixá-lo em uma caixa que pretendo imprimir em 3D no futuro. Esse furo de montagem deve ajudar a restringir a placa para que ela não flexione e deforme durante as mudanças de temperatura enquanto estiver em operação.

Você também pode notar que a placa tem alguns fios aéreos/redes não roteadas mostrando. Eles são exibidos porque eu tomei o atalho de não fazer uma pegada/símbolo para a placa de jumper, o que significa que o Altium pensa que estão não roteados.

Placa de Jumper

A placa de jumper é um PCB extremamente simples. Tão simples, que eu não me preocupei em fazer um esquemático ou criar quaisquer footprints para ela - eu simplesmente adicionei solda e recortes de pasta na parte superior do painel, para criar pads nos meus trilhos existentes, e fiz o mesmo na placa de jumper.

Para definir o tamanho da placa de jumper e onde as rotas precisam se conectar, usei uma camada mecânica na placa do painel para definir a forma da placa de jumper e as conexões. Em seguida, copiei e colei isso em um PCB em branco.

Também adicionei silkscreen na placa do painel para mostrar quais conexões vão aonde, para facilitar a vida ao testar a placa.

Para facilitar o roteamento da placa de jumper, eu criei manualmente redes na placa usando Design -> Netlist -> Edit Nets.

Em um curto período de tempo, eu tinha uma placa de jumper personalizada. Em uma fabricante de placas chinesa de baixo custo, toda a placa de circuito custou menos que um jumper shunt em volume único, tornando-a extremamente econômica.

Montagem DIY IMS

Em um artigo anterior, falei sobre montagem de PCB DIY com ferramentas básicas - no entanto, as placas IMS apresentam um conjunto totalmente novo de desafios em comparação com as placas FR-4 básicas. Tanto a massa térmica quanto a condutividade térmica do substrato tornam o trabalho muito desafiador. Enquanto uma simples estação de retrabalho a ar quente é suficiente para a maioria das placas baseadas em FR-4, uma estação de retrabalho não consegue fornecer calor suficiente para superar a dissipação de calor do substrato metálico.

A montagem começa da mesma forma que qualquer outra placa, montando sua placa em algum tipo de estrutura para manter sua posição, e então anexando um estêncil. Eu uso um pedaço de acrílico cortado a laser de 5mm de espessura como minha superfície de pasta, pois isso me permite retirá-lo rapidamente da minha mesa e continuar com a montagem. Eu costumava fixar a estrutura na minha mesa com fita adesiva, como a maioria dos guias irá dizer, mas isso realmente reduz a área de trabalho utilizável. Eu uso contornos de placa impressos em 3D para enquadrar a placa, em vez de PCBs sobressalentes como a maioria dos guias sugere. Essas impressões 3D têm uma borda um nível mais baixo do que a superfície onde o estêncil se apoia para permitir que a fita se encaixe. Ao ter uma borda para a fita, o estêncil fica perfeitamente alinhado com a placa de circuito.

Após a aplicação da pasta, a placa pode ser populada como qualquer outra placa de circuito. Neste caso, com 272 LEDs e 3 termistores.

Quando chegar o momento de você estar pronto para refazer o fluxo da placa, você precisará ter uma fonte extra de calor para a placa, já que uma estação de reflow de ar quente não vai ser de grande utilidade por si só. Infelizmente, o substrato de alumínio na parte inferior da placa é altamente reflexivo, então um aquecedor de placa infravermelho não oferece muita vantagem.

Churrasqueira Teppanyaki para Reflow

A montagem DIY não é de grande vantagem se requer ferramentas extremamente caras ou grandes, como um forno de reflow de múltiplas zonas. Esta PCB é grande demais para caber na maioria dos fornos de torradeira, que também são populares para montagem DIY, e grande demais para o meu forno de Fase de Vapor DIY, para o qual criamos uma placa de controle neste blog. Após muita pesquisa por uma boa solução, decidi por uma Churrasqueira Teppanyaki muito barata de um mercado online - seu formato largo era o melhor ajuste para o tamanho desta placa.

Infelizmente, como a maioria das grelhas/chapas, ela não aquece de maneira muito uniforme. Com um único laço resistivo e uma superfície de cozimento de alumínio fundido bastante fina, está longe do ideal. Eu esperava que a própria placa de alumínio atuasse para uniformizar o calor bastante.

Com a placa na grelha, ainda é desigual, mas um pouco melhor e algo com que podemos trabalhar. A placa na grelha levanta uma segunda questão: a grelha está longe de ser plana. Com um dreno integrado para gordura, a superfície inclina-se em direção ao centro frontal, proporcionando um contato menos que ideal para a placa - especialmente à medida que a placa aquece e começa a enrolar nas bordas. Acabei usando um par de tesouras abertas para segurar a placa em várias áreas para ajudar a melhorar o contato e aumentar a temperatura.

Se eu precisasse desta grelha para montar mais do que os três painéis de LED que estou construindo, eu faria algumas mudanças que melhorariam substancialmente a sua utilidade:

• Adicionar uma placa de alumínio suplementar de 6mm/¼ de polegada como um difusor de calor.
• Convertê-la para um controlador PID ou controlador de refluxo para melhorar o controle de calor.

Com o botão de controle de calor padrão, vale a pena monitorar de perto a temperatura da grelha. Um termopar ou dois seriam suficientes, no entanto, eu usei minha câmera térmica. Para evitar que a placa aqueça rápido demais, você precisa ajustar manualmente a temperatura para cima e para baixo para fazer a energia passar pela bobina em rajadas curtas. Isso também permite que o calor do elemento se espalhe. Se você aquecer a placa até a temperatura de refusão muito rapidamente, haverá fluxo líquido demais na placa quando o solda se tornar líquido, o que resulta na geração de esferas de solda à medida que o fluxo ferve através da solda líquida. Isso também pode causar problemas para os componentes. Ter um cronômetro em execução com os alvos do perfil de temperatura de refusão desejado anotados pode ajudá-lo a obter uma refusão de ótima qualidade.

Embora essa abordagem seja semelhante à refusão de uma placa de circuito FR-4 em uma grelha, mais tempo e cuidado precisam ser tomados com o IMS devido à sua maior condutividade térmica e massa térmica.

Um problema com a comutação manual lenta para ligar e desligar e aumentar a temperatura é que muitos controladores com sensor de calor simples bi-metálico não permitem alcançar a temperatura máxima necessária para a pasta de solda. O aquecimento lento significa que você não pode contar com o excesso de temperatura do elemento aquecedor para ultrapassar o ponto de fusão da solda. É uma boa ideia ter uma estação de refusão por perto caso isso aconteça. A estação de refusão pode facilmente fornecer o pouco de energia extra necessário para refazer a solda em uma placa pré-aquecida. Uma vez que o fluxo tenha evaporado, você não pode deixar a placa esfriar e tentar novamente - sem fluxo, você criará algo semelhante a uma cerâmica com sua solda oxidada. Este material não derrete facilmente e é incrivelmente desafiador remover da placa ou retrabalhar - significando que a placa e os componentes nela provavelmente precisarão ser descartados.

O outro desafio com essa abordagem pode ser esfriar a placa lentamente de acordo com o perfil de refusão. Uma vez que a solda na placa solidificou, eu cobri a placa com algumas folhas de silicone para reduzir a velocidade com que ela esfriava. Diminuir o processo de resfriamento também ajudou com o empenamento da placa.

Testes Iniciais

Ao testar um painel de LED pela primeira vez, meu procedimento é um pouco diferente do de uma placa regular, como o driver construído para esta placa. Se um ou mais LEDs em uma sequência estiverem em curto sob o componente, ou colocados ao contrário, toda a sequência pode ter uma tensão direta de apenas um único LED - mesmo fornecendo uma tensão completa limitada por corrente é provável que danifique esse LED enquanto o restante dos LEDs na placa não acendem.

Para testar o painel, começo com uma fonte de laboratório na tensão direta de um único LED, e o limite de corrente definido para o conjunto paralelo inteiro de LEDs. Se a tensão na fonte imediatamente ler 0v ou próximo disso, com o consumo total de corrente, então há um curto-circuito direto na placa. Uma câmera térmica pode rapidamente identificar a localização do curto neste caso. Felizmente, este não foi o caso para nenhuma das placas que montei.

Após este ponto, eu aumento lentamente a voltagem em 0,5v por vez, em uma sala escurecida. Se houver algum problema com os LEDs em uma sequência, essa sequência começará a acender antes das outras. Se todos os LEDs desse canal acenderem de maneira uniforme e ao mesmo tempo, eles não são apenas bem combinados, mas também estão livres de defeitos.

Na minha placa, eu tinha uma sequência de LEDs em um canal que acendeu mais cedo que os outros, com um LED que não acendeu de forma alguma. Infelizmente, este LED foi montado ao contrário - o footprint do LED fez com que os contatos se curto-circuitassem.

Reparando uma PCB de Alumínio

Enquanto a montagem e o primeiro reflow apresentam seus desafios, retrabalhar uma placa de circuito com substrato de alumínio é muito mais desafiador. Para retrabalhar uma placa, o objetivo é aquecer apenas a área que precisa de retrabalho. Levar toda a placa a um ponto de reflow e mantê-la lá enquanto a placa é corrigida é menos que ideal. Todas as juntas de solda fundida estarão oxidando e a qualidade da junta pode sofrer. Além disso, muitos componentes não gostam de ser reflowados várias vezes. Por exemplo, a Samsung não recomenda mais de um ciclo de reflow para os LEDs que estou usando. Manter capacitores eletrolíticos em altas temperaturas também pode degradá-los rapidamente, e conectores de plástico podem deformar se mantidos em temperaturas elevadas.

Portanto, precisamos de uma maneira de retrabalhar uma pequena seção da placa para corrigir o LED em curto-circuito sem aquecer excessivamente toda a placa. Com o substrato de alumínio espalhando rapidamente o calor, essa não é uma tarefa tão fácil.

Similar ao reflow inicial, o controle manual da temperatura com a alternância rápida do grill ligado e desligado permite que a superfície aqueça de maneira uniforme e lenta. Isso permite que você aumente lentamente a temperatura até um ponto em que uma estação de retrabalho a ar quente pode elevar a temperatura para derreter a solda.

Você pode ver a exaustão de ar quente no topo da imagem da câmera térmica acima, marcada a 60,5°C. Eu tive que ajustar a temperatura da estação para cerca de 400°C (752°F) para permitir que ela aquecesse uma área local rapidamente o suficiente para limitar a propagação do calor. Para proteger a solda no pad do LED que eu estava retrabalhando, adicionei uma pequena quantidade de fluxo em gel ao redor do LED. Diferente do fluxo líquido, como o que se obtém de uma caneta de fluxo, o fluxo em gel é muito espesso e pegajoso, então ele não queima rapidamente, e não é soprado para longe ou escorre. O fluxo em gel é bagunçado, mas para uma aplicação como esta, é inestimável - tão inestimável que entrou para a minha lista de ferramentas essenciais para prototipagem eletrônica!

Como há muito pouca solda exposta, é difícil dizer quando o metal está fundido, então continuei cutucando o LED pela lateral com a ponta da minha pinça para ver se ele poderia se mover. Uma vez que se moveu, consegui rapidamente remover o LED e colocar um novo com a orientação correta. Provavelmente poderia ter reutilizado o LED sem problemas, no entanto, o fabricante não recomenda múltiplos ciclos de refusão ou retrabalho de um LED, e eles são bastante baratos.

Operação do Painel de LED

Com o retrabalho concluído e os demais painéis verificados quanto a problemas, eu finalmente estava pronto para conectá-lo à placa de driver e testá-lo. A placa de jumper se integra muito bem ao painel, sendo quase imperceptível. Com os LEDs acesos, não há impacto na luz proveniente da placa de jumper, apesar de sua proximidade com vários LEDs.

Como mencionado no artigo de design do driver, o driver superou as expectativas de eficiência, mostrando que as trilhas largas têm uma resistência muito baixa.

O substrato metálico isolado funciona incrivelmente bem para dissipar o calor dos LEDs. De perto, os LEDs parecem estar apenas um pouco mais quentes do que a placa ao redor deles.

Com a parte de trás da placa em meu tapete de pirâmide de silicone, proporcionando muito pouco fluxo de ar ou condutividade, a temperatura é bastante consistente em toda a placa. Com uma temperatura ambiente de 17,6°C (64°F), o aumento da temperatura da placa, uma vez que atinge um estado estável, é de apenas 17,8°C (64°F).

Gostaria de saber mais sobre como a Altium pode ajudá-lo com seu próximo design de PCB? Fale com um especialista na Altium.