Basisprincipes van thermisch beheer van printplaten in LED-toepassingen voor roodlichttherapie

Bijgewerkt: 27 juli 2026 | Leestijd: 12 minuten

Het elektrisch vermogen alleen bepaalt niet de radiometrische output van een roodlichtpaneel. De efficiëntie van de LED, de stroomsterkte, de optische lay-out, de meetafstand en het thermische ontwerp beïnvloeden allemaal de bestralingssterkte die het doelvlak bereikt. Slechte thermische regeling kan de stabiliteit van de output verminderen en de veroudering van componenten versnellen, lang voordat een apparaat zichtbaar defect raakt.

Het thermisch beheer van de printplaat voert warmte af van de LED-junctie via de behuizing, soldeerverbinding, printplaat, thermisch geleidend materiaal en koelplaat voordat de warmte aan de omgeving wordt afgegeven. Naarmate de junctietemperatuur verandert, kunnen ook de stralingsoutput, de voorwaartse spanning en de piekgolflengte veranderen. De omvang van deze verandering is LED-specifiek, dus specificaties moeten het LED-model, de aansturingsomstandigheden, de omgevingstemperatuur, de opwarmtijd, de meetafstand en het gebruikte instrument specificeren in plaats van te vertrouwen op een universele temperatuurdrempel.

Compacte producten zoals de RD7 en E49 7 Color LED Facial Mask vereisen een doordacht thermisch ontwerp, omdat de LED's, elektronica en huidcontactstructuren een beperkte ruimte innemen. Het aantal LED's alleen bepaalt echter niet de warmtedichtheid; ook het werkelijke ingangsvermogen, de duty cycle, de kanaalselectie, de optische efficiëntie en het beschikbare koeloppervlak moeten in overweging worden genomen.

Hieronder worden de mechanismen achter warmteontwikkeling uitgelegd, hoe de koperlay-out, thermische via's, substraatkeuze en systeemkoeling de outputstabiliteit beïnvloeden, en welke verificatiemethoden thermische problemen vóór massaproductie kunnen opsporen.

Waarom warmte de verborgen prestatievariabele is bij printplaten voor roodlichttherapie

Dwarsdoorsnede van een meerlaagse printplaat voor roodlichttherapie met pijlen die de warmtestroom aangeven.

Het thermisch beheer van printplaten in LED-toepassingen voor roodlichttherapie regelt hoe warmte van de LED-junctie via de printplaat naar het gehele koelsysteem wordt afgevoerd. Een effectief ontwerp draagt ​​bij aan een langere levensduur van de componenten en een consistentere radiometrische output.

Er bestaat geen universele drempelwaarde voor de junctietemperatuur waarbij elke rode of nabij-infrarode LED 30-40% van zijn vermogen verliest of de helft van zijn levensduur. Sommige LED-families worden gekarakteriseerd bij een junctietemperatuur van 85 °C, terwijl hun absolute maximale junctietemperatuur 120 °C, 135 °C of 150 °C kan zijn. De relevante limieten, deratingcurves, stralingsflux-versus-temperatuurcurves en levensduurgegevens moeten worden afgelezen uit het exacte specificatieblad van de emitter. Voor rode en nabij-infrarode apparaten zijn stralingsflux en bestralingssterkte nuttigere prestatie-indicatoren dan lichtstroom of lumen.

De piek golflengte verandert ook met de junctietemperatuur, maar de coëfficiënt is emitterspecifiek. Zo heeft een bepaalde familie van dieprode LED's een typische piek golflengtecoëfficiënt van 0,06 nm/°C en een spectrale halfwaardebreedte van ongeveer 20 nm. Een temperatuurstijging van 30 °C zou daarom overeenkomen met een typische verschuiving van ongeveer 1,8 nm voor dat onderdeel, wat niet duidt op een universeel verlies van biologische relevantie. Wanneer een compact product een vermogen van 10 mW/cm² heeft, moeten de meetafstand, de opwarmconditie, de bedrijfsmodus en de gebruikte meter worden vermeld, zodat de waarde reproduceerbaar is.

De printplaat is een belangrijk onderdeel van het thermische pad, maar kan niet losgekoppeld worden van de behuizing, het thermische geleidende materiaal, de koelplaat, de ventilator en de luchtstroom. Een pad met lage weerstand tussen printplaat en koelplaat is ineffectief als de koelplaat de warmte niet aan de omgeving kan afvoeren.

Vijf dingen waaraan een thermisch bewuste printplaat moet voldoen:

1. Houd de junctietemperatuur binnen het nominale werkingsbereik van de geselecteerde LED, zelfs bij ongunstige gebruiksomstandigheden.
2. Beperk de stralingsoutput en de spectrale drift gedurende de beoogde bedrijfssessie.
3. Voorkom lokale hotspots en grote temperatuurverschillen in de opstelling.
4. Stel meetbare ontwerpverificatiecriteria vast voor temperatuur- en optische stabiliteit.
5. Zorg voor consistentie bij zowel prototypes als massaproductie.

Deze invalshoek sluit direct aan op de bredere discussie in ons hoofdartikel over thermisch beheer van krachtige roodlicht-LED-apparaten voor fototherapie, waarin de wettelijke eisen en het systeemontwerp uitgebreid worden behandeld.

Kernprincipes van thermisch beheer van printplaten voor LED-toepassingen

Warmtegeleidingspad van LED-junctie via soldeerpad, koperen printspoor en koelplaat

Wat zorgt er nu precies voor dat de warmte in een compacte LED-printplaat wordt verplaatst?

Alle drie de klassieke warmteoverdrachtsmechanismen – geleiding, convectie en straling – zijn aanwezig in een LED-module. Geleiding bepaalt het interne pad van de junctie naar de printplaat en het koelblok, terwijl convectie doorgaans het belangrijkste mechanisme is dat warmte van het koelblok of de behuizing naar de omgeving afvoert. Straling kan ook een rol spelen, afhankelijk van de oppervlaktetemperatuur, het oppervlak en de emissiviteit. De beperkende factor is de hoogste thermische weerstand in de complete module, niet per se het substraat van de printplaat.

De thermische weerstand wordt uitgedrukt in °C/W. De thermische weerstand tussen junctie en behuizing of tussen junctie en soldeerpunt beschrijft de LED-component, terwijl de printplaat, thermische interface, koelplaat en omgevingswarmteoverdracht extra weerstand toevoegen. De thermische weerstand tussen junctie en omgeving is afhankelijk van het systeem en de testomstandigheden; deze mag niet worden beschouwd als een vaste componentwaarde die onafhankelijk is van de printplaatgrootte, behuizing, oriëntatie of luchtstroom. Een handig vereenvoudigd model is:

Rθ,totaal = Rθ,verbinding-naar-soldeer + Rθ,PCB + Rθ,TIM + Rθ,koelblok-naar-omgeving

In welke mate wordt die bovengrens bepaald door de keuze van het substraat?

De thermische geleidbaarheid van substraten varieert sterk. Standaard FR-4-laminaat heeft doorgaans een waarde van ongeveer 0,2–0,4 W/m·K. Een geïsoleerd metalen substraat, of MCPCB, is een gelaagde constructie bestaande uit een koperen circuitlaag, een dunne elektrisch isolerende maar thermisch geleidende diëlektrische laag en een aluminium of koperen basis. Waarden zoals 1–4 W/m·K beschrijven doorgaans de diëlektrische laag, niet de metalen basis zelf. Omdat laagdikte en interfaceweerstand van belang zijn, is de thermische weerstand loodrecht op het vlak of de thermische impedantie nuttiger dan het toekennen van één geleidbaarheidswaarde aan de gehele MCPCB. Keramische substraten hebben een thermische geleidbaarheid die varieert van ongeveer 20 W/m·K voor aluminiumoxide tot ongeveer 170 W/m·K voor aluminiumnitride.

Bij de constructie van de printplaat moet rekening worden gehouden met het werkelijke gedissipeerde vermogen, het oppervlak van de warmtebron, de inschakelduur, de toelaatbare temperatuurstijging, de mechanische eisen en de rest van het koelsysteem.

Het gewicht van koper en de thermische rol ervan

Het verhogen van de koperdikte van 28 gram naar 56 gram of 113 gram vermindert de elektrische weerstand en kan de warmteverspreiding in de breedte verbeteren. Het voordeel hangt af van het koperoppervlak en het verticale pad onder de LED. Dik koper kan een slecht ontworpen thermische pad, een diëlektrisch materiaal met een hoge weerstand, een ontbrekende thermische interface of een te kleine koelplaat niet compenseren.

Thermische via-arrays: de verticale warmtesnelweg

Thermische via-arrays worden vaak gebruikt in FR-4- en meerlaagse printplaten om warmte van de thermische pad van de LED af te voeren naar een onderste koperlaag of een aangehechte warmteverspreider. Hun prestaties zijn afhankelijk van de dikte van de printplaat, de diameter van de via's, het aantal via's, de dikte van de beplating, het vulmateriaal en de afstand tot de warmtebron. In één gepubliceerde configuratie bedroeg de warmteafgifte van een via van 0,6 mm ongeveer 64 °C/W in open toestand, 42 °C/W in gesoldeerde toestand en 14 °C/W in kopergevulde toestand. Deze waarden illustreren de trend, maar zijn geen universele ontwerpconstanten.

Open via's kunnen nog steeds warmte geleiden, zij het minder effectief dan goed ontworpen gevulde via's. Via's gevuld met koper bieden over het algemeen de laagste weerstand, terwijl thermisch geleidende epoxy of soldeer ook gebruikt kan worden indien gevalideerd. Bij een conventionele enkellaags MCPCB loopt de warmte normaal gesproken via het dunne diëlektricum naar de metalen basis; generieke doorgeplateerde via's mogen niet rechtstreeks met de metalen kern verbonden zijn zonder een elektrisch geïsoleerde, door de fabrikant goedgekeurde constructie.

De constructie van het substraat, de koperverspreiding, verticale warmtepaden, interfaces en systeemkoeling moeten daarom gezamenlijk worden beoordeeld.

Hoe beslissingen over de lay-out van printplaten zich vertalen in daadwerkelijke stabiliteit van de bestraling.

Geannoteerde PCB-lay-out met weergave van LED-plaatsingszones, thermische via-clusters, koperen gietgebieden en soldeermaskeropeningen.

Er kan een aanzienlijk verschil zijn tussen een korte testopstelling en een stabiele werking van de volledige array. Temperatuur is één oorzaak, maar ook de aansturing, het gedrag van de voeding, de PWM-duty cycle, connectorverliezen en het opwarmen van het instrument kunnen het resultaat beïnvloeden. Een specificatie voor de bestralingssterkte, zoals 10 mW/cm², is alleen reproduceerbaar wanneer de golflengte, afstand, arraymodus, opwarmtijd, omgevingsomstandigheden, meetinstrument en bemonsteringsmethode zijn gedefinieerd.

De volgorde van lay-outkeuzes die dit bepalen, verloopt grofweg als volgt:

De plaatsing van het soldeermasker vereist context. Het masker mag geen soldeerpad bedekken dat gesoldeerd moet worden, maar het afdekken van bepaalde thermische via's kan nuttig zijn om het opzuigen van soldeer te beheersen. Het uiteindelijke patroon moet voldoen aan de aanbevelingen van de LED-fabrikant met betrekking tot het soldeerpadpatroon en de montage.

De afstand tussen de LED's voegt een extra dimensie toe. Als LED's te dicht op elkaar geplaatst worden, stijgt de temperatuur lokaal, doordat aangrenzende apparaten elkaars soldeerpunten verhitten. Als ze te ver uit elkaar staan, vermindert dit de uniformiteit van de bestraling op de behandelingsafstand – een echte afweging, geen situatie waarin één regel voor alle ontwerpen geldt. De juiste afstand hangt af van de laterale geleidbaarheid van het substraat en de gewenste uniformiteit van de bestraling.

Maskers met meerdere golflengten introduceren een extra complicatie, omdat de golflengtekanalen verschillende halfgeleidermaterialen, voorwaartse spanningen, stromen, duty cycles en optische rendementen kunnen gebruiken. Een masker met 193 LED's en zeven golflengten, aangeduid met 5 V/1 A, heeft een maximaal ingangsvermogen van 5 W, maar die waarde geeft geen informatie over het vermogen dat door elk golflengtekanaal wordt gedissipeerd. Thermische analyse moet gebruikmaken van de werkelijke circuittopologie en de stroom, voorwaartse spanning, duty cycle, driververliezen en uitgezonden optisch vermogen per kanaal. Een hogere voorwaartse spanning alleen is niet voldoende om de heetste zone te identificeren.

Deze interacties moeten vóór de Gerber-release worden gecontroleerd en vervolgens worden bevestigd op geassembleerde prototypes, omdat lay-outberekeningen alleen niet alle variaties in materiaal, assemblage, behuizing en luchtstroom kunnen weergeven.

Het evalueren en testen van de thermische prestaties van printplaten vóór de productie.

Ingenieur gebruikt een warmtebeeldcamera om een ​​verlichte LED-printplaat te inspecteren, waarbij een hotspot zichtbaar is op een valse-kleurenweergave.

Algemeen gangbare opvatting: een printplaat die de visuele inspectie doorstaat en correct oplicht, is thermisch acceptabel.

De optische functie en de thermische geschiktheid zijn afzonderlijke verificatievragen. Een printplaat kan tijdens een korte test correct oplichten, maar tijdens continu gebruik met de volledige array blijven opwarmen. De uiteindelijke temperatuurstijging en de tijd die nodig is om een ​​stabiele toestand te bereiken, zijn productspecifiek en moeten worden gemeten.

Begin met een schatting van de thermische weerstand op basis van het werkelijke vermogensverlies en de complete thermische structuur. Eindige-elementenanalyse of computationele vloeistofdynamica kan vervolgens worden gebruikt wanneer de vermogensdichtheid, de behuizingsgeometrie, de luchtstroom of het projectrisico een gedetailleerder model rechtvaardigen. Simulatie is waardevol, maar moet worden gevalideerd aan de hand van metingen aan een prototype.

Validatie op laboratoriumniveau bevestigt of weerlegt vervolgens de simulatie. Drie methoden zijn standaard:

• Bij puntmeting met een thermokoppel wordt een fijnmazige thermokoppel op of vlakbij de soldeerpad van de LED geplaatst. Dit geeft een werkelijke temperatuurwaarde, maar slechts op één punt, en plaatsingsfouten introduceren onzekerheid.
• Infraroodthermografie (beeldvorming met een thermische camera) brengt oppervlaktetemperatuurpatronen over de hele array in kaart. Emissiviteit, reflecties, kijkhoek, focus en oppervlakteafwerking moeten worden gecontroleerd voordat de temperatuurwaarden als kwantitatief kunnen worden beschouwd.
• Bij het schatten van de junctietemperatuur op basis van voorwaartse spanning wordt een gekalibreerde temperatuurcoëfficiënt van de voorwaartse spanning gebruikt om de junctietemperatuur te bepalen. Deze methode kan nauwkeurig zijn voor de te testen LED, maar vereist een gecontroleerde kalibratie- en meetprocedure.

De test voor continu bedrijf verbindt deze methoden met elkaar. Voer de beoogde worst-case LED-combinatie uit bij de gedefinieerde ingangsspanning, omgevingstemperatuur, oriëntatie en bedrijfsmodus totdat de temperatuurverandering onder een gedocumenteerd stabiliteitscriterium komt. Registreer de temperatuur van het soldeerpunt of de printplaat van de LED, de temperatuur van de koelplaat en de behuizing, de stroomsterkte, het spectrum en de bestralingssterkte op het gedefinieerde behandelingsvlak. Schat de junctietemperatuur met behulp van de thermische weerstand van de geselecteerde LED of een gevalideerde voorwaartse spanningsmethode.

Tj = Tsp + Rθ,verbinding-naar-soldeer × gedissipeerd vermogen

De geschatte junctietemperatuur moet worden gecontroleerd aan de hand van de richtlijnen voor vermogensreductie en de absolute maximumwaarde van de fabrikant. De absolute maximumwaarde is een limiet, geen aanbevolen continu ontwerpdoel. Een integrerende bol kan worden gebruikt voor metingen van de totale stralingsflux of spectrale metingen, terwijl een gekalibreerde radiometer of spectroradiometer op een gedefinieerd meetraster nodig is voor het meten van de bestralingssterkte en uniformiteit in het behandelvlak.

Voor CE-markering is de vereiste technische documentatie afhankelijk van het beoogde gebruik, de classificatie en de toepasselijke EU-wetgeving van het product. ISO 13485 biedt een kwaliteitsmanagementkader in plaats van een vaste temperatuurstijgingstest. IEC 62471 behandelt fotobiologische gevaren van optische straling; medische of therapeutische apparatuur met een niet-laserlichtbron kan ook onder IEC 60601-1 en IEC 60601-2-57 vallen. Thermisch en optisch bewijsmateriaal moet daarom gekoppeld worden aan gedefinieerde ontwerpinput, risicobeheersing en toepasselijke normen, in plaats van gepresenteerd te worden als een universeel gevolg van FDA-registratie, CE-markering of ISO 13485.

Veelvoorkomende ontwerpfouten en hoe je ze kunt vermijden

Printplaat met soldeerholtes onder de LED-pads versus correct gesoldeerde printplaat met volledig contact tussen de pads, naast elkaar.

Soldeerholtes onder een thermische pad van een LED verminderen het effectieve contactoppervlak en kunnen de junctietemperatuur verhogen. De omvang hiervan kan niet alleen op basis van het percentage holtes worden voorspeld: de locatie, vorm en verdeling van de holtes, de dikte van de soldeerlaag, de behuizing, het PCB-ontwerp en de vermogensdichtheid spelen allemaal een rol. Een holte van 20-25% mag niet zomaar worden omgezet in een universele temperatuurstijging van 10-15 °C zonder onderdeelspecifieke testgegevens of een gevalideerd model.

Het beheersen van luchtbellen vereist een geoptimaliseerd landpatroon, stencilopening, soldeerpastavolume, reflow-oploop en -afkoeling, tijd boven het liquidus-punt, piektemperatuur en koelprofiel. Röntgeninspectie kan de dekking van verborgen verbindingen controleren tijdens procesvalidatie en risicogebaseerde productiemonsters. Vacuümreflow kan luchtbellen verminderen wanneer het proces wordt gevalideerd; een stikstofatmosfeer kan de bevochtiging verbeteren, maar mag niet worden gepresenteerd als een gegarandeerde methode om luchtbellen te verwijderen. Visuele inspectie alleen is niet voldoende om een ​​verborgen thermische pad te beoordelen.

De keuze van het thermische interface-materiaal is belangrijk wanneer de printplaat op een externe koelplaat wordt gemonteerd. Een MCPCB met een goede interne thermische geleiding kan nog steeds ondermaats presteren als het thermische interface-materiaal tussen de printplaat en de koelplaat ongeschikte vloei-eigenschappen heeft, onvoldoende dekking biedt of lucht bevat. Het thermische interface-materiaal moet de contactoppervlakken bevochtigen en relevante oneffenheden opvullen zonder een onnodig dikke verbindingslaag te creëren.

Massaproductie introduceert variatie tussen batches. Toleranties van LED's, soldeerpasta-afzetting, slijtage van het stencil, componentplaatsing, reflow-afwijking, TIM-dekking, aanhaalmoment van bevestigingsmiddelen, ventilatorprestaties en behuizingsassemblage kunnen er allemaal voor zorgen dat productie-eenheden afwijken van een gevalideerd prototype. Controles moeten aan de juiste fase worden toegewezen: LED- en materiaalverificatie bij de ingangsinspectie, pasta- en reflow-monitoring tijdens de productie en thermische en optische verificatie op basis van het eerste product of steekproeven, conform het kwaliteitsplan.

Een vroege thermische controle verkleint het risico op herontwerp en hertesten, maar niet elk probleem kan tijdens het printplaatontwerp worden opgespoord. Validatie van het prototype, de assemblage, de behuizing, de luchtstroom en de productieversie blijft noodzakelijk.

Belangrijkste conclusies

Effectief thermisch beheer van printplaten begint met de exacte datasheet van de LED, het werkelijke gedissipeerde vermogen en een compleet thermisch model van junctie tot omgeving. FR-4 met geoptimaliseerd koper en via's, een geïsoleerd metalen substraat of een keramische printplaat kunnen allemaal geschikt zijn, afhankelijk van de vermogensdichtheid, mechanische eisen en het omringende koelsysteem. Het gekozen ontwerp moet vervolgens worden geverifieerd onder gedefinieerde worstcaseomstandigheden.

Twee apparaten die er vergelijkbaar uitzien, kunnen een verschillende gestabiliseerde bestralingssterkte en spectrale output leveren vanwege verschillen in LED-selectie, nauwkeurigheid van de aansturingsstroom, thermische weerstand van de printplaat, prestaties van de koelplaat, optische lay-out en meetmethode. Kopers dienen te vragen naar bestralingskaarten op specifieke afstanden, gegevens over de opwarm- en stabiele output, resultaten van de temperatuurstijging, testomstandigheden en instrumentinformatie, in plaats van alleen te vertrouwen op de piekbestralingssterkte bij een koude start.

FAQ

Wat is thermisch beheer van printplaten in de context van LED-apparaten?

Thermisch beheer van printplaten (PCB's) omvat alle ontwerpkeuzes die de warmtestroom regelen van de halfgeleiderovergang van een LED via de behuizing, soldeerverbinding, printplaat, thermische interface en koelplaat naar de omgevingslucht. De warmte die bij de LED moet worden afgevoerd, is ongeveer gelijk aan de elektrische input min het uitgezonden optische vermogen. Omdat de conversie-efficiëntie varieert afhankelijk van de emitter, golflengte, stroomsterkte en temperatuur, mag er geen universeel warmtepercentage worden toegekend zonder onderbouwende gegevens. De printplaat fungeert zowel als elektrische verbinding als onderdeel van het thermische pad.

Waarom beïnvloedt de temperatuur de golflengte van rode LED's voor lichttherapie?

De emissiegolflengte van een LED kan verschuiven met de junctietemperatuur, omdat de bandgap-eigenschappen van de halfgeleider veranderen met de temperatuur. De richting en de grootte hangen af ​​van het LED-materiaal en de constructie. Een bepaalde familie van krachtige dieprode LED's specificeert een typische coëfficiënt van 0,06 nm/°C, terwijl andere 660 nm-emitters een grotere waarde kunnen specificeren. De correcte berekening is Δλ = TCλ × ΔT , waarbij gebruik wordt gemaakt van het specificatieblad van de geselecteerde emitter. Een meetbare spectrale verschuiving moet worden gerapporteerd, maar mag niet automatisch worden beschreven als een verlies van biologisch effect.

Wat is een printplaat met metalen kern (MCPCB) en wanneer is deze nodig?

Een MCPCB, ofwel een geïsoleerd metalen substraat, combineert doorgaans een koperen circuitlaag, een dunne thermisch geleidende diëlektrische laag en een basis van aluminium of koper. Het veelgenoemde bereik van 1–4 W/m·K heeft meestal betrekking op de diëlektrische laag en niet op de metalen basis of de complete printplaat. MCPCB's zijn nuttig wanneer ze de vereiste thermische weerstand, spanningsisolatie, mechanische structuur en productieconsistentie bieden, maar ze zijn niet automatisch vereist op basis van het aantal LED's of een nominaal label als "5 W LED". De keuze moet gebaseerd zijn op het werkelijke vermogen, de thermische weerstand, het ontwerp van de koelplaat, de omgevingsomstandigheden en de gemeten junctietemperatuur.

Hoe verbeteren thermische via's de warmteafvoer in LED-printplaten?

Thermische via's zijn met koper beklede gaten die voornamelijk worden gebruikt in FR-4- of meerlaagse constructies om warmte van de LED-pad naar een onderste koperlaag of warmteverspreider af te voeren. Hun effectiviteit hangt af van de dikte van de printplaat, de diameter van de via's, de dikte van de koperlaag, het aantal via's, de afstand ertussen, het vulmateriaal en de plaatsing ten opzichte van de warmtebron. Met koper gevulde via's bieden over het algemeen een lagere thermische weerstand dan met soldeer gevulde of open via's, maar elke constructie moet worden beoordeeld als onderdeel van het complete printplaat- en koelpad.

Wat is de maximaal veilige junctietemperatuur voor LED's in roodlichttherapie?

Er bestaat geen eenduidige maximale veilige junctietemperatuur voor alle rode en nabij-infrarode LED's. Afhankelijk van de exacte emitter en de bedrijfsomstandigheden kan een absoluut maximum 120 °C, 125 °C, 135 °C, 150 °C of een andere waarde zijn. Het absolute maximum is geen aanbevolen streefwaarde voor continu gebruik. Ontwerpers dienen de richtlijnen van de emitter met betrekking tot stroomreductie, stralingsvermogen, betrouwbaarheid en levensduur te volgen en een gerechtvaardigde bedrijfsmarge in te stellen voor de meest ongunstige omgevingstemperatuur, componentvariatie, veroudering en geblokkeerde of verminderde luchtstroom.

Hoe wordt de thermische prestatie van een printplaat getest voordat een product op de markt komt?

De thermische prestaties worden geëvalueerd onder gedefinieerde worstcaseomstandigheden totdat aan een gedocumenteerd steady-state criterium is voldaan. Gekalibreerde thermokoppels en emissiviteitsgestuurde thermische beeldvorming meten toegankelijke oppervlakken; de junctietemperatuur wordt vervolgens geschat op basis van de temperatuur van het soldeerpunt of de printplaat en de toepasselijke thermische weerstand, of met behulp van een gekalibreerde voorwaartse-spanningsmethode. Optische stabiliteit moet gelijktijdig worden gemeten. Een integrerende bol is geschikt voor het meten van de totale stralingsflux en het spectrum, terwijl voor de bestralingssterkte en uniformiteit van het behandelingsvlak een gekalibreerde radiometer of spectroradiometer op een gedefinieerde afstand en raster nodig is.

IEC 62471 behandelt fotobiologische gevaren in plaats van temperatuurlimieten voor printplaten. ISO 13485 biedt een kader voor gecontroleerde ontwerpverificatie wanneer dit van toepassing is op het kwaliteitssysteem van de fabrikant. FDA-registratie staat los van productgoedkeuring, productvrijgave en de gekozen technische testmethode voor een specifiek apparaat.

Wat veroorzaakt soldeerholtes onder de thermische pads van LED's en hoe kunnen deze worden voorkomen?

Soldeerholtes kunnen ontstaan ​​door ontgassing van flux, slechte bevochtiging, ongeschikte stencilgeometrie, variaties in pastavolume, verontreiniging of een niet-geoptimaliseerd reflowprofiel. Holtes verminderen het effectieve thermische contact, maar het totale percentage alleen voorspelt geen vaste temperatuurstijging, omdat ook de positie en verdeling van de holtes van belang zijn. Preventie en beheersing omvatten een gevalideerd land- en stencilpatroon, geschikte pasta, gecontroleerd printen en reflowen, optioneel gevalideerd vacuümreflowen en röntgenverificatie tijdens proceskwalificatie of risicogebaseerde bemonstering.

Welke invloed heeft de dikte van koper op het thermisch beheer van LED-printplaten?

De dikte van het koper in een printplaat wordt gemeten in ounces per vierkante voet, waarbij 1 oz/ft² overeenkomt met ongeveer 35 µm koper. Dikker koper – lagen van 2 oz of 3 oz – verspreidt de warmte over een groter oppervlak voordat deze de koelplaat bereikt, waardoor hotspots onder dicht opeengepakte LED's worden verminderd.

Bij roodlichttherapiepanelen met een hoge dichtheid kan het overstappen van 28 gram naar 56 gram koper de laterale thermische weerstand verminderen, maar het voordeel hangt af van de geometrie van het koper en het verticale warmtepad. Dikker koper in een thermisch resistente constructie kan nog steeds minder goed presteren dan dunner koper in een printplaat met een beter warmtepad loodrecht op het vlak.

Referenties

• Amerikaanse Food and Drug Administration. "Registratie en vermelding van medische hulpmiddelen." https://www.fda.gov/medical-devices/how-study-and-market-your-device/device-registration-and-listing
• Internationale Elektrotechnische Commissie. "IEC 62471:2006 — Fotobiologische veiligheid van lampen en lampsystemen." https://webstore.iec.ch/en/publication/7076
• Internationale Elektrotechnische Commissie. "IEC 60601-1 — Medische elektrische apparatuur: Algemene eisen voor basisveiligheid en essentiële prestaties." https://webstore.iec.ch/en/publication/67497
• Internationale Elektrotechnische Commissie. "IEC 60601-2-57:2023 — Niet-laserlichtbronapparatuur bedoeld voor therapeutisch, diagnostisch, monitoring-, cosmetisch en esthetisch gebruik." https://webstore.iec.ch/en/publication/73147
• Internationale Organisatie voor Standaardisatie. "ISO 13485:2016 — Medische hulpmiddelen — Kwaliteitsmanagementsystemen — Eisen voor regelgevingsdoeleinden." https://www.iso.org/standard/59752.html
• Cree LED. "Thermisch beheer van XLamp LED's." https://assets.cree-led.com/a/da/x/XLamp-Thermal-Management.pdf
• Cree LED. "Optimalisatie van de thermische prestaties van de printplaat voor XLamp LED's." https://assets.cree-led.com/a/da/x/XLamp-PCB-Thermal.pdf
• Cree LED. "Temperatuurmeting van het soldeerpunt van XLamp LED's." https://downloads.cree-led.com/files/da/x/XLamp-Solder-Point-Temp.pdf
• Lumileds. "Productinformatieblad LUXEON Z Color Line." https://lumileds.com/wp-content/uploads/files/DS105-ZH-LUXEON-Z-Color-Line-datasheet.pdf
• Henkel. "BERGQUIST thermisch beheer voor LED-toepassingen." https://dm.henkel-dam.com/is/content/henkel/14919_Bergquist_LED_Thermal_Solutions_v4_LRpdf