Principios de diseño de PCB LED
Nuestros ingenieros calificados de IPC utilizan el último software CAD para diseñar placas de circuitos optimizadas para ser fabricadas. El proceso de diseño de PCB combina la colocación de componentes, el seguimiento, la selección de materiales y la gestión térmica para lograr la conectividad eléctrica en una placa de circuito fabricada.
Colocación de componentes :no solo los colocamos en
Por tentador que pueda ser simplemente colocar LED y otros componentes en la placa, es el proceso de colocación inteligente de componentes el que mantiene bajos los costos, la fabricación fácil (o lo más simple posible) y la alta calidad. Siempre diseñamos para optimizar: capacidad de fabricación, rendimiento térmico y óptico – y una buena colocación es la base de esto. La disposición de las piezas puede afectar a la fiabilidad, los procesos de ensamblaje, la integridad de las juntas de soldadura y las pruebas. Muchos aspectos del diseño de PCB LED son exclusivos de los LED y generalmente desconocidos para la industria electrónica en general. Las PCB LED deben diseñarse para limitar el movimiento del LED durante la soldadura por reflujo y el llenado de inundación de la pista debe optimizarse para el rendimiento térmico y el acoplamiento capacitivo, por ejemplo.
Además de los LED, estamos colocando conectores, componentes activos y pasivos, termistores y más en PCB LED mientras consideramos los orificios de montaje, a través de vías y colocación óptica. Con tantas consideraciones, no es de extrañar que el diseño de PCB sea como resolver un rompecabezas.
Ni siquiera hemos mencionado las restricciones de tamaño físico de PCB y las tolerancias de fuga y holgura que afectan a la colocación, los requisitos de prueba eléctrica (accesibilidad) y las limitaciones de montaje. Se requiere un espacio adecuado entre los componentes para evitar un evento de sobretensión en la placa. La fuga es la distancia más corta entre los componentes medidos a lo largo de la superficie del material de aislamiento; la separación, por otro lado, es la distancia entre los componentes medidos a través del aire. Cuantos más componentes haya que colocar, más difícil puede ser lograr fugas y limpieza. Nuestro equipo considera el material de la PCB, el aislamiento y la contaminación que podrían ocurrir cuando la PCB está en la aplicación, luego aplican las tolerancias relevantes para la fuga y la separación para un rendimiento duradero.
Fig.1-Medición de fugas y holgura
Materiales de PCB
La PCB sirve para varios propósitos en diseños de circuitos basados en LED; en particular, proporciona las conexiones eléctricas entre los componentes individuales y el aislamiento eléctrico de los conductores entre sí, pero a menudo la PCB también forma uno de los primeros elementos de la ruta térmica entre el componente LED y el aire ambiente, mientras que la PCB también puede formar una base sobre la que también se montan componentes no electrónicos, es decir, lentes y reflectores.
Hay varios materiales de PCB que se pueden utilizar para aplicaciones LED: tanto FR4 como sustrato metálico aislado (IMS) son opciones populares. Cada material tiene sus propios méritos relativos, que van desde el costo hasta el rendimiento térmico.
IMS como material de PCB se compone de tres elementos principales; una capa base de metal, una película dieléctrica y una capa superior de cobre. La capa base de metal forma la mayor parte del grosor de la PCB y proporciona estructura mecánica y masa térmica, normalmente el metal utilizado será aluminio, ya que ofrece un buen rendimiento térmico en comparación con el costo. No todos los PCB IMS son iguales, los materiales IMS de alto rendimiento tienen dieléctricos con mayor conductividad térmica, lo que en última instancia puede producir un producto con una vida útil significativamente más larga.
En resumen, las PCB IMS son inherentemente muy buenas para disipar el calor porque están hechas casi en su totalidad de metal; sin embargo, generalmente son más costosas que el material FR4
FR4 es lo que la mayoría de la gente piensa cuando dice, ‘material de PCB’. Se utiliza ampliamente en todo tipo de electrónica y, por lo tanto, es un material muy familiar para los diseñadores de circuitos. El material FR4 está hecho de resina reforzada sobre la que se ha montado una lámina de cobre. Como el material de resina es un aislante, es posible crear un laminado de muchas capas de circuito colocadas una encima de otra, interconectadas según sea necesario. Dado el rendimiento térmico de IMS seguramente FR4 es inferior? No necesariamente. Con un diseño inteligente de PCB, es posible lograr una buena conductividad térmica a través de materiales FR4, creando esencialmente vías térmicas a través de la resina que no afectan la funcionalidad eléctrica de la PCB.
Fig.La composición de 2 PCB de FR4 e IMS
Gestión térmica
Los materiales se seleccionan para proporcionar resistencia estructural para soportar los componentes electrónicos y disipar el calor de los conductores y los componentes. El calor excesivo es el enemigo de la PCB y debe gestionarse para garantizar la fiabilidad y el funcionamiento adecuado. Nuestros diseñadores buscan maximizar la disipación de calor con el uso de vías térmicas, colocación inteligente de componentes y elección de material de PCB.
Fig.3-Sección transversal de vía térmica en sustrato FR4
El intercambio de calor no es eficiente con solo el aire ambiente alrededor de un dispositivo caliente. Sin embargo, el calor se puede transferir lejos de los componentes eléctricos críticos con el uso de vías térmicas. El calor se transfiere a una vía térmica por conducción y esto permite que el calor se aleje de los componentes.
La adición de vías mejorará la resistencia térmica de una placa FR4, siempre que se coloquen adecuadamente y se haya considerado el grosor de la placa para determinar el diámetro del orificio. Las tablas más gruesas con agujeros muy pequeños son más difíciles de fabricar y más caras. Una relación de aspecto aceptable es ≤6: 1. El aumento del espesor del revestimiento durante la producción de PCB mejora la resistencia térmica.
La colocación de componentes para una distribución uniforme del calor, los disipadores de calor y la aplicación de la PCB LED final son consideraciones a lo largo del diseño de la PCB para garantizar una gestión térmica y fiabilidad efectivas.
Seguimiento
Una vez colocados los componentes, el seguimiento puede comenzar. La tarea de seguimiento es crear geometrías de manera que todos los terminales asignados a la misma red estén conectados de manera eficiente, no se conecten terminales asignados a redes diferentes y se obedezcan todas las reglas de diseño. A través de un seguimiento cuidadoso, buscamos evitar aperturas, diafonía y cortocircuitos, al tiempo que garantizamos una fabricación de buena calidad y confiabilidad. En esta etapa, nuestros diseñadores están pensando en ancho de pista, simetría, espacio y orificios de montaje.
Un ancho de vía adecuado garantiza que la cantidad de corriente deseada se transporte por toda la placa sin sobrecalentarse. La corriente estimada y el espesor de cobre, junto con la temperatura ambiente, la longitud de la vía y el espaciado de la vía, determinan el ancho de vía óptimo.
No todas las pistas se crearán con anchuras iguales. Las pistas de potencia y tierra tendrán mucha más corriente que fluye a través de ellas, lo que las hace mucho más anchas que las pistas promedio, lo que significa que no habrá exceso de calor que fluya a través de pistas más delgadas y dañe la tabla.
Como ya hemos mencionado, nuestras placas de circuitos están optimizadas para la fabricación. Es por eso que nuestros diseñadores dejan suficiente espacio entre todas las pistas y almohadillas y esquinas de radio. Si se utilizan ángulos de 90 grados con pistas, hay una mayor probabilidad de que la pista grabada sea más estrecha que la anchura de pista requerida. La incorporación de una esquina biselada o de radio evita esta posibilidad.
Una PCB de múltiples capas es una PCB que tiene más de 2 capas, son ideales cuando el espacio es reducido, en lugar de aumentar las dimensiones físicas, se pueden agregar capas alternas de cobre con material aislante para ahorrar espacio, mejorar el ensamblaje y aumentar el área disponible para el seguimiento.
Acabados
Hay dos funciones esenciales de los recubrimientos protectores/acabados de superficie aplicados a la PCB: proteger el cobre expuesto y proporcionar una superficie soldable para el ensamblaje. Después del acabado, también hay una leyenda que permite las marcas requeridas que pueden ayudar con la fabricación y la instalación en el campo. Esto también nos permite incorporar su logotipo en el PCBA para una gran conciencia de marca. Los acabados superficiales más utilizados son:
HASL (Nivelación de Soldadura por Aire Caliente), OSP (Conservante Orgánico de Soldabilidad), estaño de inmersión, níquel electrolítico/oro galvanizado, inmersión/plata, ENIG, ENEPIG. Cada acabado de superficie tiene pros y contras y nuestros diseñadores especificarán el acabado más adecuado antes de la fabricación. En la mayoría de los casos, se utiliza OSP, ya que proporciona una superficie plana necesaria para los componentes de paso fino y el proceso de aplicación es simple.
El diseño inteligente de PCB es fundamental para fabricar su solución LED ideal. Con un diseño inteligente, podemos incorporar PCB FR4 de doble cara y PCB multicapa para un rendimiento óptimo cuando el espacio es reducido. En el corazón de todos nuestros diseños de PCB están sus requisitos y aplicaciones. Para obtener más información sobre nuestra experiencia o para tener en sus manos su propia solución LED diseñada y fabricada por nosotros, contáctenos hoy mismo.
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