Gestión térmica en PCBs: Extensión de la vida útil de la iluminación LED

La iluminación LED ha revolucionado la eficiencia energética, pero su rendimiento y longevidad dependen de un factor crítico: la gestión del calor.Los LED convierten el 80% de la energía en luz, pero el 20% restante todavía genera suficiente calor para degradar los componentesUn aumento de 10°C en la temperatura de la unión de LED puede reducir la vida útil en un 50%, haciendo de las placas de circuito impreso (PCB) con una gestión térmica robusta no sólo una característica, sino una necesidad.Así es como el diseño y los materiales de PCB optimizados aseguran que la iluminación LED dure 50,000+ horas, incluso en aplicaciones de alto estrés como luminarias industriales o farolas exteriores.

Las claves

• La temperatura de las uniones de los LED debe mantenerse por debajo de 125°C; el exceso de calor provoca una depreciación del lumen y una falla de los componentes.
• Los PCB de núcleo metálico (MCPCB) y los laminados de alta temperatura disipan el calor 3×5 veces más rápido que las placas FR-4 tradicionales.
• El diseño adecuado de los PCB, incluido el ancho de las huellas, el grosor del cobre y la integración de los disipadores de calor, reduce la resistencia térmica hasta en un 40%.
• Los estándares de la industria como IPC-2221 y LM-80 guían las mejores prácticas de gestión térmica para un rendimiento confiable de los LED.

Por qué el calor mata los LED: La ciencia del estrés térmico

Los LED funcionan pasando corriente a través de un semiconductor, un proceso que genera calor en la unión (la interfaz entre capas).

a.A una temperatura de unión de 85 °C, un LED dura normalmente 50.000 horas.
b.A 105 °C, la vida útil se reduce a 25.000 horas.
c.A 125°C, se reduce a sólo 10.000 horas 1/5 de su vida útil potencial.

El calor también degrada otros componentes: las juntas de soldadura se agrietan, los condensadores se secan y las lentes ópticas se vuelven amarillas.La mala gestión térmica convierte a los LEDs de 10 años en reemplazos de 2 años- ¿ Por qué?

Cómo los PCB controlan el calor LED: diseño y soluciones de materiales
El PCB actúa como el principal conductor de calor en los accesorios LED, canalizando el calor desde la unión LED a los disipadores de calor o al medio ambiente.selección de materiales y optimización del diseño- ¿ Por qué?

1Comparación de materiales de PCB: cuestiones de conductividad térmica
No todos los PCB son iguales en lo que respecta a la disipación de calor.

Nota: La conductividad térmica mide qué tan bien un material transfiere calor: valores más altos significan una disipación más rápida.
Los PCB de núcleo de aluminio (MCPCB) son el punto óptimo para la mayoría de los LED de alta potencia, ya que ofrecen una mejora del 300% en la transferencia de calor sobre el FR-4 sin el costo del núcleo de cobre.un reflector LED de 100W que utiliza un MCPCB mantiene una temperatura de unión de 75°C, mientras que el mismo diseño en FR-4 alcanza los 110°C, reduciendo la vida útil en un 70%.

2. Técnicas de diseño para aumentar la disipación de calor
Incluso con los materiales adecuados, el diseño de PCB deficiente puede atrapar el calor.
a. espesor de cobre: un cobre más grueso (2 oz vs 1 oz) aumenta el flujo de calor en un 50%. Una capa de cobre de 2 oz (70 μm) actúa como una “carretera de calor”, “difundir el calor a través del PCB más rápido que las alternativas más delgadas.
b.Disposición de las huellas: las huellas anchas y cortas reducen la resistencia térmica. Para un LED de 50 W, las huellas deben tener al menos 3 mm de ancho para evitar puntos calientes.
c.Vías térmicas: las vías revestidas (diámetro 0,3 ∼0,5 mm) conectan el panel LED a la capa inferior del PCB, actuando como tuberías de calor. Una rejilla de vías de 3x3 bajo un LED puede reducir la temperatura en 15 °C.
d.Integración del disipador de calor: la unión directa del PCB a un disipador de calor de aluminio (utilizando pasta térmica o adhesivo con conductividad de 0,5 W/m·K) añade una vía secundaria para la fuga de calor.
Un estudio realizado por el Centro de Investigación de Iluminación encontró que estos ajustes de diseño combinados pueden extender la vida útil del LED de 30.000 a 60.000 horas en luces comerciales.

Gestión térmica en aplicaciones LED específicas
Los diferentes entornos requieren soluciones a medida.

Iluminación exterior (luces de calle, focos)
a.Los LEDs exteriores se enfrentan a temperaturas extremas (de -40°C a 60°C) y humedad.
b.Utilizar MCPCBs de aluminio con una capa dieléctrica gruesa (100 μm) para resistir la humedad.
c.Agregar un disipador de calor con aletas en la parte posterior del PCB es crítico para los accesorios de 150 W o más.
Ejemplo: una farola que utiliza estas especificaciones mantiene un 90% de luz después de 5 años, frente al 50% para los diseños basados en FR-4.

Iluminación del automóvil ( faros, luces traseras)
Las vibraciones y el calor bajo el capó (hasta 125°C) requieren diseños resistentes.
a. Los PCB de núcleo de cobre soportan altas temperaturas; su rigidez resiste los daños por vibración.
b.Utilizar vías térmicas cerca de los paneles de LED para evitar puntos calientes en los gabinetes estrechos de los faros.
c.Cumplimiento: cumplir con la norma AEC-Q102 (norma de componentes de LED) e IPC-2221 para el diseño de PCB.

Iluminación de interiores para uso comercial (oficinas, minoristas)
Las limitaciones de espacio y los ciclos de atenuación exigen una eficiencia compacta.
a. Los MCPCB de aluminio delgado encajan en accesorios poco profundos; 1 onza de cobre equilibra el calor y el costo.
b.Diseño para una fácil fijación del disipador de calor (por ejemplo, orificios de montaje preperforados).
c.Beneficio: 40% menos costes de mantenimiento en las cadenas minoristas debido a menos reemplazos.

Pruebas y validación: garantizar el rendimiento térmico
No confíe en las simulaciones, válidenlo con pruebas reales.
a.Imagen térmica: las cámaras FLIR identifican los puntos calientes (objetivo: < 10 °C por encima del ambiente en los bordes de los PCB).
b. Pruebas LM-80: Esta norma de la industria mide la depreciación del lumen durante más de 6.000 horas a 85°C y 105°C, garantizando el cumplimiento de los requisitos de Energy Star.
c.Cálculo de la resistencia térmica (Rθ): Objetivo de Rθ < 5 °C/W (junción con el ambiente) para los LED de alta potencia. Para un LED de 100 W, esto mantiene la temperatura de la unión por debajo de 85 °C (25 °C ambiente + 100 W x 5 °C/W).

Preguntas frecuentes
P: ¿Cómo afecta el espesor del PCB a la gestión térmica?
R: Los PCB más gruesos (1.6 mm frente a 0.8 mm) proporcionan más material para la propagación del calor, pero el material del núcleo es más importante.
P: ¿Pueden los PCB flexibles manejar el calor del LED?
R: Sí, pero sólo para LEDs de baja potencia (< 10W).2W/m·K) es inferior a las MCPCB rígidas- ¿ Por qué?
P: ¿Cuál es el impacto de los costes de la actualización a MCPCB?
R: Los MCPCB de aluminio añaden un ~ 20% a los costos de los PCB, pero reducen los costos generales de propiedad en un 50% a través de una mayor duración y menos reemplazos.

Conclusión
La gestión térmica de los PCB no es una cosa tardía, sino la columna vertebral de una iluminación LED fiable.cobre grueso)Para los fabricantes, esto se traduce en clientes más satisfechos, reclamos de garantía más bajos,La industria de los LED es una de las que más se ha visto afectada por el cambio climático.