Rezystancja termiczna MCPCB

[EdiM]

Witam
Zaintrygowany informacją od Midiego, że dioda XP-G zaczęła mu topić tworzywo poszperałem trochę i udało mi się wyznaczyć rezystancję termiczną MCPCB. Dzięki temu da się oszacować temperaturę struktury LEDa.

No i zakładając całkiem dobre MCPCB o przewodności 1,30 wyszło mi coś takiego:



Obliczenia zakładają jedynie rezystancję termiczną struktura diody - obudowa oraz rezystancję izolacji MCPCB. Jak widać, złącze możne mieć kilkadziesiąt stopni więcej niż temperatura radiatora.

Dla kiepskich MCPCB z dielektrykiem FR4 jest po prostu porażka.
Pewnym błędem może być założenie, ze ciepło odprowadza jedynie pad termalny diody - dotyczy to szczególnie XP-G (XP-E), gdzie ten pad jest bardzo mały.

Jeśli uda mi się zorganizować kamerę termowizyjną to spróbuję zrobić jakieś fotki diod.

W załączeniu plik XLS, z danymi a także linkami. Można sobie podmienić dane.

Z tabelki wynika, że w Techoservice dostępne sa MCPCB o przewodności 0,25-3 [W/(m*K)].

Nie pytajcie mnie z jakiego materiału są różne MCPCB, bo nie mam takich danych. Na pewno, gdy będę w przyszłości zamawiał coś konkretnego z MCPCB, będzie to dla mnie istotny parametr.

[czarny_kruk]

EdiM, swietny i wazny temat. Dzieki za incicjatywe i zwrocenie uwagi na blaha dla niektorych rzecz.
Niestety posrednicy zwykle nie znaja materialu dielektryka uzytego w MCPCB. A zdecydowana wiekszosc z nich to laminat FR4 (lacznie z wieloma "firmowymi" plytkami np. ETG).

Warto zauwazyc, ze bardzo istotny jest takze sposob laczenia laminatu z plytka alu (typowo stopu 6061) i czesto bardzo latwo jest sprawdzic czy producent mcpcb nie jest lichy. Dielektryk mozna wtedy nozem na krawedzi doslownie zerwac platem. Oczywiscie nie powinno tak byc i znacznie pogarsza to przewodzenie ciepla.
W przypadku prawidlowo wykonanych plytek nie ma na to szans i proba pozbycia sie z plytki izolatora nozem jest niemozliwa lub bardzo czasochlonna.

Grubosc izolatora w plytkach MCPCB wynosi typowo od 75 do 200 µm.

[Calineczka]

EdiM, dziękuję i przyklejam

[EdiM]

Można by jakoś połączyć z wątkiem czarnego_kruka - rezystancja termiczna. Dotyczą tego samego zagadnienia.

[ Dodano: 25 Styczeń 2010, 22:05 ]
No i kawałek nowych pomiarów...

Wymyśliłem sobie, że pośrednio można zmierzyć temperaturę złącza (struktury) diody. Na razie nie udało mi się dopaść kamery termowizyjnej, która mam nadzieję, pokaże temperaturę bezpośrednio.

Znając współczynnik temperaturowy dla XP-G, który wynosi 2,1mV/K można w łatwy sposób zmierzyć przyrost temperatury struktury.

Obiekt badany jak na zdjęciu poniżej, z tym, że zamocowany do dużego radiatora:


Zmierzone napięcie na diodzie zasilanej stałym prądem o wartości 1A po załączeniu zasilania za pomocą oscyloskopu. Oscylogram:


Na wykresie jest czas ok. 1,8 sekund. Widać spadek napięcia (oznaczony kursorami) 155mV, co daje 155/2,1 = 73stopni

W takim czasie radiator praktycznie wcale nie zdążył się nagrzać. Poniżej jeszcze krótkie odłączenie zasilania, około 100ms, które potwierdza metodę - zmiana napięcia (czyli temperatury struktury w tym wypadku jest niewielka)


Czyli niestety jeszcze raz potwierdza się problem z prawidłowym chłodzeniem XPG.
Z tych danych można oszacować rezystancje termiczną pomiędzy strukturą, a aluminium na ok. 22st/W.

Oczywiście pomiar taki może być obarczony nieprzewidzianymi błędami, ale daje do myślenia.

Podobny pomiar zrobiłem dla XRE na chińskim MCPCB i tam jest zmiana napięcia o około 43mV, natomiast współczynnik temperaturowy wynosi 4mV/K - czyli przyrost temperatury to tylko 10 stopni.

[Calineczka]

EdiM, bardzo ciekawy pomysł z tymi pomiarami, fajnie, że udało Ci się znaleźć czas by to sprawdzić. A wyniki zatrważające, ciekawe, kiedy zaczną się pierwsze pady tych cudownych dzieci CREE...

[czarny_kruk]

EdiM, glowny problem lezy w podlozu na ktorym testowales ta diode. Ma ono po pierwsze FR4 za izolator, po drugie zaprojektowane jest przez idiote.
Sugeruje wybierac inne podloza do tych diod...

Fotka ponizej mam nadzieje wyjasni o co chodzi.

[EdiM]

Witam
Z mojego arkusza wynika, że jeśli to by było FR4 o przewodności 0,25 i grubości 100um, to przyrost temperatury struktury wyniósł by prawie 300 stopni . Nawet zakładając błąd 50% w rozumowaniu to i tak jest 150stopni.

Tak więc raczej to nie jest FR4.

Co do projektu oczywiście nie jest on specjalnie szczęśliwy, ale po prostu są to MCPCB jakie teraz można kupić w Polsce.

Ktoś jeszcze pokazywał diodę słabo przylutowaną - tzn. wysoko. To już totalna porażka.

[czarny_kruk]

Witam
Z mojego arkusza wynika, że jeśli to by było FR4 o przewodności 0,25 i grubości 100um, to przyrost temperatury struktury wyniósł by prawie 300 stopni . Nawet zakładając błąd 50% w rozumowaniu to i tak jest 150stopni.

Tak więc raczej to nie jest FR4.

Co do projektu oczywiście nie jest on specjalnie szczęśliwy, ale po prostu są to MCPCB jakie teraz można kupić w Polsce.

Ktoś jeszcze pokazywał diodę słabo przylutowaną - tzn. wysoko. To już totalna porażka.

Rozmawialem ze specami od MCPCB w zeszlym roku i twierdzili, ze wiekszosc to FR4 stad stwierdzenie, ale mozna zalozyc bardziej pozytywnie, wiele to nie zmienia...
Wyglada to tak: polskie firmy (chociazby Kono i Technoservice) standardowo uzywaja laminatu Aismalibar AlCuP-G o gwarantowanej przewodnosci 0,5 (typowo 0,6) i grubosci 110µm. Lepsi producenci MCPCB (konkretnie z Wloch, Wegier, Niemiec) uzywaja w standardzie laminatu HT-04503 od Berquista o grubosci 75µm.

Wedlug przyjetych przez Ciebie zalozen oznacza to, ze przyrost temperatury struktury XP-G dla podkladu Berquista wynosi 58 stopni (rezystancja dielektyka 13,44W), a dla Aismalibara 146-171stopni C.

[EdiM]

Coś chyba źle wstawiłeś. Z danych HT-04503 wynika, że ma 2,2 przewodność oraz 75um grubości dielektryka, co daje rezystancję termiczną w tym punkcie ok. 8K/W - razem przyrost temperatury 42 stopnie.
No ale najlepszy materiał Polithert TC-Lam 3,0 z oferty Technoservice ma 3,0 oraz może mieć 50um i z tego wyjdą znacznie lepsze przewodności. Ten materiał jest dostępny na zamówienie.

Oczywiście tak jak wspominałem, wyliczenia takie obarczone są błędem, szczególnie dla XPG, ponieważ uwzględniają jedynie pad termalny oraz brak rozchodzenia się ciepła na boki przez ścieżkę miedzianą. Ale tak czy inaczej pozwala to na jakieś szacunki - trzeba by dodać współczynnik korekcji.

W każdym razie chyba jestem pierwszą osobą na forum, która próbuje ująć ten ważny problem w cyferki. Występuje on szczególnie mocno dla diod XPE/XPG (małe gabaryty) oraz SSC90 (duża moc).

Jeszcze jedno - ja dostałem ofertę ostatnio z TS na MCPCB z materiałem Cobritherm AlCuP jako standardowy - on ma właśnie 1,3 i grubość dielektryka 120um. Czyli nie jest to FR4 o przewodności 0,25.

[czarny_kruk]

Coś chyba źle wstawiłeś. Z danych HT-04503 wynika, że ma 2,2 przewodność oraz 75um grubości dielektryka, co daje rezystancję termiczną w tym punkcie ok. 8K/W - razem przyrost temperatury 42 stopnie.
No ale najlepszy materiał Polithert TC-Lam 3,0 z oferty Technoservice ma 3,0 oraz może mieć 50um i z tego wyjdą znacznie lepsze przewodności. Ten materiał jest dostępny na zamówienie.

Oczywiście tak jak wspominałem, wyliczenia takie obarczone są błędem, szczególnie dla XPG, ponieważ uwzględniają jedynie pad termalny oraz brak rozchodzenia się ciepła na boki przez ścieżkę miedzianą. Ale tak czy inaczej pozwala to na jakieś szacunki - trzeba by dodać współczynnik korekcji.

W każdym razie chyba jestem pierwszą osobą na forum, która próbuje ująć ten ważny problem w cyferki. Występuje on szczególnie mocno dla diod XPE/XPG (małe gabaryty) oraz SSC90 (duża moc).

Racja, wstawilem 1,3 zamiast 2,2. O ile dobrze pamietam rozmowe to standard w zeszlym roku byl wlasnie 1,3W/mK od Berquista.
Zatem tym bardziej warto wydaje mi dolozyc i nabyc bez problemow dobre podklady np. tutaj LINK z odczuwalnie lepszymi parametrami:)

[lennin]

Czyli na razie omijam ciągle super XP-E i XP-G szerokim łukiem. Chyba że ktoś będzie miał "normalne podłoża".

[Gardol]

A może dałoby radę jednak posadzić XPG wprost na miedzianym radiatorze? Na przykład wcześniej dodając diodzie nóżki które przejdą przez otwory w płycie radiatora. Dopiero po posadzeniu diody, na te nóżki nasuwałoby się kable doprowadzające zasilanie. Ma sens taki pomysł?

Pozdrawiam,
Paweł

[czarny_kruk]

Gardol, jesli zrobisz tak jak np. Greg w swoim projekcie z SST90 to czemu nie. Tylko.. ze to niezla zabawa:)

[hooch]

cześć
dorzucę do bazki moje dywagacje na temat:
przewodnictwo cieplne radiatorów
i tak przeniesieniem ciepła z MPCB do obudowy ChRL w ogóle się nie przejmuje.
co widać jak mało jest aluminium pod chińską diodą

a przy naszym 'skrzywieniu' struktura LED musi być spasowana na idealną gładź do wielkiej bryły diamentu...
to na pewno da 'zadowalający' efekt

[kuss115]

Witam
Przetestowałem wczoraj wpływ temp. diody na napięcie przewodzenia. Wg danych katalogowych, dla XP-G współczynnik temp. wynosi -2,1mV/*C.

Diodę zasilałem ze źródła prądowego ok. 1mA. Przy tak małym prądzie możemy przyjąć, że Ta = Tj.
Dioda wraz z czujnikiem temp. powędrowała do piekarnika
Pomiaru Vf dokonałem dla kilku wartości temp.
Ta[*C] Vf[V]
20 2,49
50 2,44
85 2,39
105 2,36

Wykres:


Z wykresu odczytać możemy, że zależność Vf od Tj jest liniowa.

Obliczamy współczynnik temperaturowy:
105*C - 20*C = 85*C
2,36V - 2,49V = -0,13V
Współczynnik temp. = -0,13V / 85*C = -1,53mV/*C
Mówiąc inaczej: spadek Vf o 0,1V powoduje wzrost Tj o 65,4*C

Wynika z tego, że obliczony wsp. temp. jest większy o (-1,53 + 2,1) = 0,57mV / *C od podanego w karcie katalogowej.

W wolnej chwili postaram się przetestować w ten sposób inne diody.

A tu fotki z testów