Изолированные Металлические Подложки: Создание Светодиодной Панели

В этом проекте мы будем строить умеренно большую светодиодную панель на изолированной металлической подложке (IMS) в качестве продолжения моего проекта Studio LED Driver. В предыдущем проекте мы разработали набор драйверов светодиодов для питания этой световой панели.

Эта световая панель имеет три различных типа светодиодов с высоким индексом цветопередачи (CRI) High CRI LED types с теплым, нейтральным и холодным балансом белого. Изменяя яркость различных балансов белого, свет с панели может быть настроен так, чтобы соответствовать другому освещению, что делает его идеальным для использования в кино - но также создает идеальное освещение для работы с электроникой. Светодиоды серии Samsung SPMWH1228MD7WA, которые я выбрал для этого проекта, обеспечивают исключительно высокую эффективность для светодиодов с высоким CRI, что при той же мощности даст мне в два раза больше света, чем мои существующие коммерческие светодиодные панели. С 272 светодиодами панель будет чрезвычайно яркой с почти 9000 люмен, однако, распределяя их по большой печатной плате, мы получим мягкий источник света.

Как и во всех моих проектах, эта панель LED является открытой разработкой, вы можете найти файлы проекта Altium на моем GitHub, опубликованные под лицензией MIT. Это позволяет вам делать что угодно с файлами дизайна на свой страх и риск, включая использование дизайна частично или полностью в коммерческих целях.

Что такое плата на изолированной металлической подложке

Плата на изолированной металлической подложке обычно имеет металлическую основу, очень тонкий слой FR4, с типичным верхним слоем из травленой меди. Они также часто называются печатными платами на металлическом основании, покрытыми металлом печатными платами, платами на алюминиевой подложке или с алюминиевым основанием. Алюминий является наиболее распространенным металлом, однако вы также можете заказать их изготовление на основе из нержавеющей стали или меди для дизайнов с очень высокой плотностью мощности. Алюминий предлагает наиболее экономичный вариант, однако у него есть некоторые недостатки.

Многослойные платы IMS в целом встречаются реже и могут значительно увеличить стоимость по сравнению с однослойной платой. В отличие от типичной печатной платы, большинство многослойных плат IMS строятся поверх металлической подложки, что приводит к наличию одного слоя компонентов. Хотя это и не невозможно, использование металлической подложки в центре стопки слоев встречается реже.

Изолированный металлический субстрат имеет значительные преимущества при использовании в приложениях с высокой мощностью из-за дополнительной тепловой массы субстрата. Они также могут использоваться в приложениях с большими механическими нагрузками, поскольку металлическое основание может выдерживать некоторые нагрузки лучше, чем FR-4.

Высокая теплопроводность плат IMS позволяет плотно упаковывать компоненты, которые генерируют значительное количество тепла, что делает их очень популярными для приложений светодиодного освещения. Теплопроводность меди составляет 385 Вт/м/К, алюминия - 205 Вт/м/К, оба эти значения значительно превосходят FR-4, который имеет всего 0,25 Вт/м/К. Хотя использование нескольких медных слоев в стандартной плате FR-4 может помочь улучшить тепловые характеристики - толстые алюминиевые или медные субстраты значительно превосходят их.

Рассмотрение изолированных металлических субстратов

Несмотря на преимущества, платы IMS также имеют значительные недостатки для некоторых приложений.

Однослойные/Односторонние

Наиболее экономичные платы IMS имеют одну сторону для компонентов и, как правило, только один слой меди. Это исключает использование компонентов с сквозным монтажом и может усложнить трассировку для более сложных схем. Платы с сигнальными слоями по обе стороны от подложки обычно очень дороги из-за большого объема необходимой обработки. Вы можете обнаружить, что многослойная плата с двусторонним расположением слоев и медным сердечником является самой дорогой конфигурацией печатной платы, которую вы можете заказать у многих производителей.

Диэлектрическая прочность

Тонкий слой изоляционного материала между медными проводниками и подложкой ограничивает использование плат IMS низкими напряжениями. Типичная плата IMS будет иметь 100 мкм - 200 мкм (4-8 мил) препрега между проводником и подложкой. В то время как для FR4 типично значение составляет от 20 кВ/мм до 54 кВ/мм, что дает прочность изоляции 2000 В для типичного стека IMS - это может быть недостаточно для соответствия регуляторным требованиям к устройствам, питаемым от сети. Обычный режим отказа для светодиодов, питаемых от сети переменного тока на платах IMS, - пробой изоляции.

Стоимость

Даже в бюджетно-ориентированных китайских производствах плат, платы на основе IMS значительно дороже обычных плат FR-4. Однако за последние годы цена существенно снизилась, и платы для этого проекта обошлись в десятую часть от той цены, которую я оценивал при планировании этого проекта два года назад.

Кривизна платы/Термическое расширение

Алюминий имеет довольно высокий коэффициент термического расширения, что может вызвать напряжение компонентов, если плата будет испытывать температурные колебания из-за самонагрева или внешней среды. FR4 и медные проводники имеют гораздо меньшие коэффициенты термического расширения, и поэтому большие платы IMS могут изгибаться, принимая форму банана при нагревании, поскольку алюминиевая подложка расширяется, а слои изоляции и проводников - нет. Это также происходит во время переплавки, хотя если у вас маленькая плата, вы, вероятно, не заметите этого эффекта.

Готовы начать проектирование плат мирового класса на основе изолированной металлической подложки? Обратитесь к эксперту в Altium, чтобы начать работу с Altium Designer, или скачайте бесплатную пробную версию сегодня!

Проектирование схемы панели

Вместо того, чтобы добавлять 272 светодиода на схему и соединять их все последовательно/параллельно, я использую функцию многоканальности Altium. Это также упростит размещение элементов на плате, так как я могу разместить баланс белого один раз и применить его ко всем остальным.

Каждый баланс белого находится на своем листе схемы, и это всего лишь одна последовательность светодиодов.

Затем на верхнем листе схемы размещены символы многоканального листа для создания параллельных последовательностей светодиодов. Коннектор и термистор для каждого канала светодиодов также находятся на верхнем листе.

Если вы думаете, что многоканальное проектирование сэкономит вам время в ваших собственных проектах, почему бы не зарегистрироваться для бесплатной пробной версии Altium Designer?

Термистор предназначен для защиты от теплового отката, это функция драйвера, которая позволяет ему ощущать температуру платы. Как только драйвер обнаруживает, что плата слишком сильно нагревается, он уменьшает ток привода для защиты светодиодов от перегрева и сокращения их срока службы.

Дизайн панельной платы

Я хотел, чтобы плата была шириной 300 мм, но конкретного размера в высоту у меня не было - я решил определить высоту, используя Золотое сечение, что дало мне плату высотой 185 мм. Мне нужно было разместить все разъемы вместе на правой стороне платы, чтобы драйвер мог подключаться с помощью готовых кабелей. Это определяет общий размер платы и доступное пространство для трассировки.

После неудачной попытки сделать что-то интересное с чередованием балансов белого, я перешел к плану Б - размещению чередующихся рядов балансов белого. В конечном итоге свет будет распределен так же равномерно, однако компоновка намного проще. Основной недостаток размещения рядов меди на плате IMS заключается в том, что длинные дорожки меди, преимущественно расположенные в одном направлении, ограничивают плату при термическом расширении, подобно биметаллической полосе температурного датчика.

Для размещения светодиодов я использовал комнаты для организации всего. Рассчитав расстояние между светодиодами на плате, я смог настроить одну комнату с правильным расстоянием между светодиодами, а затем применить эту компоновку ко всем остальным комнатам в этом канале. При правильном размере комнат я мог разместить по одной с каждой стороны ряда, а затем использовать инструмент Выровнять -> Распределить по горизонтали, чтобы все комнаты были равномерно распределены в ряду. Компоненты не перемещаются вместе с комнатами при этом - однако повторное применение формата комнаты снова возвращает все к равномерному расположению.

Со светодиодами, расположенными примерно равномерно, я проложил дорожки между светодиодами в одной комнате каждого канала, затем применил этот формат комнаты ко всем остальным комнатам в канале, работая с одним каналом за раз.

Для такой простой платы, как эта, я даже не использую дорожки для маршрутизации - только Заливки. Они очень удобны для создания больших дорожек, как это, хотя на "обычной" печатной плате я бы даже не подумал о маршрутизации с использованием Заливки. Это новый опыт.
Маршрутизация 3 балансов белого на однослойной плате невозможна, в какой-то момент трассы должны пересекаться. На этом этапе есть несколько различных вариантов:

• Перейти на двухслойную плату IMS.
• Использовать поверхностные перемычки/шунты для соединения через другие дорожки.
• Припаять провода или медную ленту к плате в качестве перемычек.

Двухслойная плата IMS значительно увеличивает стоимость, поэтому я не был особенно склонен выбирать этот подход. Это также добавило бы еще один диэлектрический слой между светодиодами и подложкой, снижая теплопередачу.

Поверхностные перемычки отлично подходят, если вы хотите пропустить большой ток на относительно короткое расстояние - однако области, которые мне нужно было соединить, были слишком длинными для перемычки из магазина, и они не особенно экономически выгодны.

Пайка проводов или ленты к плате экономически выгодна, но не особенно элегантна и определенно не имеет эстетической привлекательности.

После взвешивания всех вариантов, создание пользовательской печатной платы, которая действовала бы как перемычка для всех соединений одновременно, оказалось наиболее экономически выгодным решением, и с таким же черным покрытием, как у панельной платы, она не была бы сильно заметна. Я выбрал печатную плату толщиной 0.8 мм, так как это позволило бы держать плату-перемычку ниже высоты светодиодов, что означает, что на их световой выход вокруг платы-перемычки не будет влияния.

Перед завершением работы над основной панелью, я увеличил все заливки, чтобы занять как можно больше места - в конце концов, я создаю панель светодиодов, а не плату сопротивления. Я также добавил центральное отверстие для крепления, чтобы прикрепить его к корпусу, который я планирую напечатать на 3D-принтере в будущем. Это отверстие для крепления должно помочь закрепить плату, чтобы она не гнулась и не искривлялась при изменении температуры во время работы.

Вы также можете заметить, что на плате есть некоторые воздушные провода/непроложенные трассы. Они отображаются, потому что я пошел на упрощение, не создавая отпечаток/символ для платы-перемычки, что означает, что Altium считает их непроложенными.

Плата-перемычка

Перемычечная плата - это чрезвычайно простая печатная плата. Настолько простая, что я даже не стал заморачиваться с созданием схемы или разработкой каких-либо посадочных мест для неё - я просто добавил верхние слои пайки и пасты на панель, чтобы создать контактные площадки на моих существующих дорожках, и сделал то же самое на перемычечной плате.

Чтобы определить размер перемычечной платы и места, где должны быть соединения, я использовал механический слой на панельной плате, чтобы обозначить форму перемычечной платы и соединения. Затем я скопировал и вставил это на пустую печатную плату.

Я также добавил шелкографию на панельную плату, чтобы показать, какие соединения куда идут, что упрощает тестирование платы.

Для облегчения маршрутизации на перемычечной плате, я вручную создал сети на плате, используя Design -> Netlist -> Edit Nets.

В течение короткого времени у меня получилась пользовательская перемычечная плата. В китайском производстве печатных плат низкой стоимости вся плата обошлась дешевле, чем одиночная перемычка, что делает её чрезвычайно экономичной.

Сборка DIY IMS

В предыдущей статье я говорил о самостоятельной сборке печатных плат с использованием базовых инструментов, однако платы IMS представляют собой совершенно новый набор вызовов по сравнению с обычными платами FR-4. Тепловая масса и теплопроводность подложки делают работу с ними очень сложной. Там, где простая станция горячего воздуха достаточна для большинства плат на основе FR-4, станция переработки не может обеспечить достаточное количество тепла, чтобы преодолеть рассеивание тепла металлической подложки.

Сборка начинается так же, как и любая другая плата, закрепление вашей платы в какой-либо рамке для удержания её в положении, а затем крепление трафарета. Я использую лазерно вырезанный кусок акрила толщиной 5 мм в качестве поверхности для пасты, так как это позволяет мне быстро снять его со стола и приступить к сборке. Раньше я приклеивал рамку к столу, как советуют большинство руководств, но это действительно уменьшает полезную рабочую поверхность стола. Я использую 3D-печатные окантовки для рамки платы, а не запасные печатные платы, как советуют большинство руководств. Эти 3D-печатные изделия имеют выступ, на один слой ниже поверхности, на которой лежит трафарет, чтобы лента могла подойти. Имея выступ для ленты, трафарет идеально прилегает к печатной плате.

После нанесения пасты плата может быть заполнена как любая другая печатная плата. В данном случае, 272 светодиодами и 3 термисторами.

Когда вы доходите до момента, когда готовы к рефлоу-пайке платы, вам нужен дополнительный источник тепла для платы, поскольку станция горячего воздуха сама по себе будет малоэффективна. К сожалению, алюминиевая подложка на дне платы сильно отражает, поэтому инфракрасный обогреватель для плат не приносит большой пользы.

Рефлоу-гриль Теппаньяки

Самостоятельная сборка не приносит большой пользы, если она требует очень дорогих или больших инструментов, таких как многоуровневая рефлоу-печь. Эта печатная плата слишком велика, чтобы поместиться в большинство тостеров, которые также популярны для самостоятельной сборки, и слишком велика для моей самодельной печи для фазового перехода, для которой мы создали управляющую плату на этом блоге. После долгих поисков хорошего решения я остановил свой выбор на очень дешевом гриле Теппаньяки с онлайн-рынка - его широкий формат был наилучшим вариантом для платы такого размера.

К сожалению, как и большинство гриль/сковородок, он нагревается не очень равномерно. С одним резистивным контуром и довольно тонкой литой алюминиевой поверхностью для приготовления, это далеко от идеала. Я надеялся, что сама алюминиевая плита будет способствовать более равномерному распределению тепла.

С платой на гриле нагрев все еще неравномерный, но немного лучше, и с этим можно работать. Плита на гриле поднимает вторую проблему: гриль далеко не плоский. С интегрированным отводом для жира поверхность наклоняется к переднему центру, обеспечивая неидеальный контакт для платы - особенно когда плата нагревается и начинает загибаться по краям. Я в итоге использовал пару разведенных ножниц, чтобы удерживать плату в различных местах для улучшения контакта и повышения температуры.

Если бы мне нужен был этот гриль для сборки более чем трех светодиодных панелей, которые я делаю, я бы внес несколько изменений, которые значительно улучшили бы его полезность:

• Добавить дополнительную алюминиевую пластину толщиной 6 мм/¼ дюйма в качестве распределителя тепла.
• Преобразовать его в контроллер PID или контроллер рефлоу для улучшения контроля температуры.

Со стандартной ручкой регулировки температуры стоит тщательно следить за температурой гриля. Подойдет пара термопар, но я использовал мою тепловизионную камеру. Чтобы плата не нагревалась слишком быстро, необходимо вручную повышать и понижать температуру, чтобы через катушку проходили короткие импульсы тока. Это также позволяет теплу от элемента равномерно распределиться. Если плата нагревается до температуры переплавки слишком быстро, на плате образуется слишком много жидкого флюса, когда припой становится жидким, что приводит к образованию шариков припоя, когда флюс закипает сквозь жидкий припой. Это также может вызвать проблемы с компонентами. Использование таймера с заранее прописанными целевыми значениями температурного профиля переплавки может помочь добиться отличного качества переплавки.

Хотя этот подход похож на переплавку печатной платы FR-4 на гриле, с IMS требуется больше времени и внимания из-за ее большей теплопроводности и тепловой массы.

Одна из проблем с медленным ручным включением и выключением для постепенного повышения температуры заключается в том, что многие контроллеры с простым биметаллическим датчиком температуры не позволяют достичь пиковой температуры, необходимой для паяльной пасты. Медленный нагрев означает, что вы не можете полагаться на превышение температуры от нагревательного элемента для достижения точки плавления припоя. Хорошей идеей будет иметь рядом станцию переплавки на случай, если это произойдет. Станция переплавки может легко обеспечить дополнительную энергию для переплавки предварительно нагретой платы. Как только флюс испарится, вы не можете дать плате остыть и попробовать снова - без флюса вы получите что-то вроде керамики из окисленного припоя. Этот материал не будет легко плавиться и его чрезвычайно сложно удалить с платы или переработать - что означает, что плата и компоненты на ней, скорее всего, придется выбросить.

Другой проблемой этого подхода может быть медленное охлаждение платы в соответствии с профилем переплавки. Как только припой на плате застыл, я накрыл плату парой силиконовых листов, чтобы замедлить процесс охлаждения. Замедление процесса охлаждения также помогло предотвратить деформацию платы.

Первоначальное тестирование

При первом тестировании светодиодной панели моя процедура немного отличается от обычной, например, от тестирования драйвера, собранного для этой панели. Если один или несколько светодиодов в цепочке замкнуты под компонентом или установлены наоборот, вся цепочка может иметь прямое напряжение всего одного светодиода - даже подача ограниченного током полного напряжения, скорее всего, повредит этот светодиод, в то время как остальные светодиоды на плате не будут светиться.

Для тестирования панели я начинаю с лабораторного источника питания с прямым напряжением одного светодиода и ограничением тока для всего параллельного набора светодиодов. Если напряжение на источнике питания сразу показывает 0 вольт или около того при полной нагрузке тока, значит, на плате есть прямое короткое замыкание. Тепловизионная камера может быстро определить местоположение короткого замыкания в этом случае. К счастью, ни на одной из собранных мной плат это не произошло.

После этого момента я медленно увеличиваю напряжение на 0,5 В за раз, в затемненной комнате. Если есть проблема с какими-либо светодиодами в цепочке, эта цепочка начнет светиться раньше остальных. Если все светодиоды для этого канала загораются равномерно и одновременно, это значит, что они не только хорошо подобраны, но и без дефектов.

На моей плате была цепочка светодиодов на одном канале, которая загорелась раньше других, причем один светодиод вообще не загорелся. К сожалению, этот светодиод был установлен наоборот - расположение контактов светодиода привело к короткому замыканию.

Переделка алюминиевой печатной платы

В то время как сборка и первичный рефлоу представляют свои сложности, переработка печатной платы на алюминиевой подложке является гораздо более сложной задачей. Чтобы переработать плату, цель состоит в том, чтобы нагреть только ту область, которую вам нужно исправить. Поднесение всей платы к точке рефлоу и удержание ее в этом состоянии во время исправления является менее чем оптимальным. Все расплавленные паяные соединения будут окисляться, и качество соединений может пострадать. Кроме того, многие компоненты не любят многократный рефлоу. Например, Samsung не рекомендует более одного цикла рефлоу для используемых мной светодиодов. Поддержание электролитических конденсаторов при высоких температурах также может быстро снизить их качество, а пластиковые разъемы могут деформироваться при высоких температурах.

Поэтому нам нужен способ переработать небольшой участок платы, чтобы исправить короткое замыкание светодиода, не перегревая при этом всю плату. С алюминиевой подложкой, быстро распространяющей тепло, это не такая уж и простая задача.

Подобно первичному рефлоу, ручное управление температурой с быстрым включением и выключением гриля позволяет поверхности равномерно и медленно нагреваться. Это позволяет медленно повышать температуру до точки, в которой станция горячего воздуха для ремонта может повысить температуру до плавления припоя.

Вы можете увидеть выход горячего воздуха в верхней части снимка с тепловизора, отмеченный как 60,5°C. Мне пришлось установить температуру станции примерно на 400°C (752°F), чтобы она могла быстро нагревать локальную область, ограничивая распространение тепла. Чтобы защитить припой на площадке светодиода, которую я переделывал, я добавил небольшое количество гелевого флюса вокруг светодиода. В отличие от жидкого флюса, который вы получаете из флюсового ручка, гелевый флюс очень густой и липкий, поэтому он не выгорает быстро и не сдувается или не стекает. Гелевый флюс грязный, но для такого применения он бесценен - настолько бесценен, что попал в мой список обязательных инструментов для прототипирования электроники!

Поскольку открытого припоя очень мало, трудно определить, когда металл становится жидким, поэтому я продолжал подталкивать светодиод сбоку кончиками пинцета, чтобы увидеть, сможет ли он двигаться. Как только он сдвинулся, я смог быстро удалить светодиод и вставить новый с правильной ориентацией. Вероятно, я мог бы использовать светодиод снова без проблем, однако производитель не рекомендует многократные циклы переплавки или переделку светодиода, и они довольно дешевы.

Работа светодиодной панели

После завершения переделки и проверки остальных панелей на предмет проблем, я наконец был готов подключить её к плате драйвера и протестировать. Переходная плата отлично вписывается в панель и практически незаметна. Когда светодиоды включены, свет от переходной платы не влияет на общий свет, несмотря на её близость к нескольким светодиодам.

Как упоминалось в статье о дизайне драйвера, драйвер превзошёл ожидания по эффективности, показав, что широкие дорожки имеют очень низкое сопротивление.

Изолированная металлическая подложка отлично справляется с отводом тепла от светодиодов. Вблизи светодиоды кажутся едва теплее, чем окружающая их плата.

С обратной стороной платы на моём силиконовом пирамидальном коврике, обеспечивающем очень низкий воздушный поток или проводимость, температура по всей плате довольно стабильна. При комнатной температуре 17,6°C (64°F) повышение температуры платы после достижения устойчивого состояния составляет всего 17,8°C (64°F).

Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы? Обратитесь к эксперту из Altium.