El atractivo de usar LED en aplicaciones de iluminación está creciendo rápidamente. Los numerosos y significativos beneficios de usar módulos que incorporan una matriz de LED están siendo reconocidos por ingenieros de diseño en varios serigrafia sectores clave de la industria, incluidos el aeroespacial, la iluminación arquitectónica y el mercado automotriz del "huevo de oro".
Atributos como la flexibilidad del diseño, el bajo consumo de energía, la luz uniforme y confiable y la larga vida útil distinguen a los módulos LED de los diseños basados en lámparas de filamento y tubos fluorescentes tradicionales. Los LED también pueden tener beneficios colaterales, como reducir en gran medida el tamaño y la complejidad del módulo y simplificar el diseño de la lente.
Un buen ejemplo de algunos otros beneficios de la iluminación LED lo demuestra una aplicación en la cabina de un avión de pasajeros. Una unidad LED modernizada que reemplazó un módulo de iluminación de tubo fluorescente permitió una atenuación finamente controlada y también proporcionó iluminación ambiental mediante el uso de LED de diferentes colores.
Gestión térmica
Quizás el problema más desafiante al realizar un diseño de módulo que usa LED es administrar la temperatura de las uniones de dispositivos individuales durante el funcionamiento normal. Si la cantidad considerable de calor producido por todos los dispositivos de un módulo no se gestiona correctamente, las temperaturas de unión pueden alcanzar un nivel en el que se acorte la vida útil esperada de los LED y se comprometa la fiabilidad (ver Enlaces).
Los módulos LED generalmente comprenden una matriz de muchos dispositivos de montaje en superficie. Estos LED están soldados a una capa de cobre grabada que proporciona las interconexiones entre los LED individuales y otros componentes pasivos y activos que se requieren para completar el circuito. El pequeño tamaño de los LED y la proximidad con la que se pueden montar significa que los diseñadores tienen una gran libertad de diseño y pueden lograr patrones de iluminación complejos con altos niveles de brillo.
El circuito de cobre grabado está separado de una placa base, generalmente hecha de aluminio, por un material dieléctrico de aislamiento eléctrico y térmicamente eficiente. Las características y capacidades de la capa dieléctrica son clave para la flexibilidad del diseño y el rendimiento del módulo en general.
Los materiales dieléctricos se fabrican mezclando materiales térmicamente eficientes, como alúmina y nitruro de boro, con otros ingredientes, para proporcionar un revestimiento flexible pero resistente en la placa base. Una característica importante de la capa dieléctrica es la cantidad de aislamiento eléctrico que proporciona entre el cobre en la parte superior y la placa base metálica en la parte inferior. Esto se conoce como su rigidez dieléctrica. Un material dieléctrico típico puede tener una rigidez dieléctrica de alrededor de 800 V/mil y recubrir la placa base con un espesor de 8 a 12 mil (1 mil = 1 pulgada-3 = 25,4 µm).
Los materiales dieléctricos que se utilizan en las placas de circuitos metálicos aislados suelen tener una cifra de conductividad térmica del orden de 3 W/mK. Esto es aproximadamente 10 veces el rendimiento logrado por el material de PCB FR4 (resina epoxi reforzada con fibra de vidrio tejida retardante de llama).
Otro requisito clave de la capa dieléctrica es poder compensar los diferentes coeficientes de expansión térmica de la pista de cobre en la parte superior del conjunto y la placa base de aluminio/esparcidor de calor en la parte inferior.
Yendo tridimensional
Desde hace varios años están disponibles láminas planas de placa de circuito de metal aislado que comprenden lámina de cobre, una capa dieléctrica y una placa base de aluminio. A los ojos del diseñador de módulos LED con visión de futuro, el principal problema ha sido que las láminas planas de placa de circuito de metal aislado las limitan a formas 2D.
Para hacer frente a esta limitación, están disponibles nuevos materiales dieléctricos que tienen un módulo bajo, lo que significa que cumplen con la tensión y la deformación mecánicas. Estos materiales no solo se adaptan al coeficiente de expansión de los elementos metálicos de la construcción, sino que también permiten que las piezas se formen en ángulos rectos, e incluso en 360˚. Esto permite a los diseñadores realizar diseños de formas complejas y que forman un círculo completo con trazas de cobre internas o externas.
Al diseñar con nuevos materiales de placa de circuito de metal aislado moldeable, es posible enrutar las pistas alrededor de las esquinas, lo que alivia la necesidad de usar conectores y cableado duro. Esto tiene varios beneficios, incluida una mayor confiabilidad que resulta de tener menos cruces e interconexiones. A pesar del costo ligeramente más alto de los nuevos materiales, el costo total se reduce porque se necesitan menos componentes y se reduce el tiempo de montaje.
Resistencia y durabilidad
Los LED en sí mismos son inherentemente duraderos. Montarlos en placas de circuito de base metálica solo sirve para mejorar su robustez y la del módulo terminado, proporcionando una excelente resistencia a las vibraciones y los golpes mecánicos.
Los clústeres de iluminación automotriz brindan un buen ejemplo de cómo los módulos LED pueden brindar un rendimiento superior en comparación con las lámparas de filamento tradicionales. Las aplicaciones en vehículos experimentan altos niveles de vibración y amplios rangos de temperatura de funcionamiento que pueden causar fallas prematuras en las lámparas de filamento. En algunas condiciones de funcionamiento, los LED pueden durar hasta 100 000 horas, lo que significa que no deberían requerir ninguna atención durante la vida útil del vehículo.
La larga vida de los LED también simplifica la tarea de los diseñadores porque es menos importante hacer que el módulo de iluminación sea accesible para el servicio en el producto terminado. Esto puede resultar en una instalación más ordenada e integrada y también en ahorros potenciales de costos.
Modelado de temperatura
Los paquetes de software de análisis térmico están disponibles para ayudar a probar los diseños de módulos basados en LED antes de comprometerse con la fabricación.
Estos paquetes de software recopilan datos de una base de datos integrada sobre el rendimiento y las especificaciones de los LED junto con los de otros dispositivos que están montados en la placa de circuito metálica aislada. Estos datos se combinan con otra información sobre los elementos del diseño, incluidas las trazas de cobre, los planos de alimentación y tierra y las vías. Luego, la información recopilada se procesa para producir una representación precisa del rendimiento térmico del diseño.
Las representaciones gráficas fáciles de usar de los resultados permiten al ingeniero de diseño identificar rápidamente las áreas que pueden requerir atención, hasta el nivel del componente y de la vía.
El software de análisis térmico puede brindar importantes beneficios comerciales y de diseño al ayudar a acelerar el tiempo de comercialización y reducir la cantidad de iteraciones necesarias para llegar a una solución lista para la producción.