Ключевой момент проектирования автоматического светодиодного модуля

Светодиодный модуль печатной платы для автомобильного освещения является основным компонентом системы автомобильного освещения. При его разработке необходимо учитывать такие основные аспекты, как оптические характеристики, управление температурным режимом, электрическая стабильность, механическая надежность и сертификация автомобильного уровня. Ниже приведены ключевые технические моменты для каждого модуля:

I. Выбор подложки печатной платы и расчет конструкции

Выбор материала подложки

Автомобильные светодиоды имеют высокую плотность мощности, поэтому предпочтительны изолирующие подложки с высокой теплопроводностью:

Печатная плата на металлической основе (MCPCB): Основным решением является печатная плата на основе алюминия с теплопроводностью обычно ≥1,5 Вт/(м·К). Для мощных модулей (таких как фары и дневные ходовые огни) рекомендуется использовать печатные платы на основе меди (теплопроводность ≥380 Вт/(м·К)) или печатные платы на керамической основе (оксид алюминия/нитрид алюминия, с еще более высокой теплопроводностью, но с более высокой стоимостью).

Должны быть соблюдены требования автомобильной термостойкости: длительная рабочая температура -40℃~125℃ и устойчивость к тепловому удару (циклические испытания -40℃→125℃).

Требования к изоляции: во избежание риска пробоя под высоким напряжением используйте высоковольтный изоляционный клей с высокой теплопроводностью и напряжением пробоя ≥20 кВ/мм.

Проектирование структуры печатной платы

Схема схемы: Токовые петли должны быть как можно более короткими и широкими, чтобы уменьшить сопротивление линии и выделение тепла. Для мощных светодиодных цепей рекомендуется использовать медь толщиной ≥2 унций (70 мкм).

Разделение сильного и слабого тока. Модули автомобильного освещения часто включают в себя схемы драйверов. Линии питания светодиодов и линии управления драйвером должны прокладываться отдельно на расстоянии ≥3 мм во избежание электромагнитных помех.

Конструкция площадки: размеры светодиодной площадки должны соответствовать корпусу светодиодного чипа (например, SMD 3535/5050). Должны быть предусмотрены термопрокладки для улучшения пути рассеивания тепла от светодиодных чипов.

Для обработки поверхности контактной площадки следует использовать ENIG (химическое никель-золотое покрытие) или OSP (органическую паяльную маску), чтобы обеспечить коррозионную стойкость автомобильного уровня и надежность пайки.

Форма и монтажные отверстия: Монтажная конструкция должна соответствовать корпусу фары автомобиля. Монтажные отверстия должны быть раззенкованы/скошены во избежание концентрации напряжений; края модуля должны иметь закругленные углы во избежание появления царапин при сборке.

II. Выбор светодиодных устройств и оптическое согласование

Выбор светодиодного чипа:

Отдавайте приоритет светодиодам автомобильного класса: они должны соответствовать сертификации AEC-Q102, поддерживать широкий диапазон рабочих температур, виброустойчивость и влагостойкость.

Выбор по функции:

Дальний/ближний свет: высокая мощность (1–5 Вт/чип), высокая плотность люмен (≥150 лм/Вт), цветовая температура около 5500 К (соответствует стандартам освещения белым светом).

Дневные ходовые огни/сигналы поворота: низкая мощность (0,2~1 Вт/чип), цветовая температура дневных ходовых огней ≥6000K, указатели поворота должны соответствовать требованиям к янтарному (около 590 нм) цвету света.

Тип упаковки: отдавайте предпочтение светодиодам в керамическом корпусе, поскольку они обеспечивают лучшее рассеивание тепла и надежность, чем светодиоды в пластиковом корпусе.

Оптически соответствующий дизайн

Расположение светодиодных чипов: Основываясь на требованиях к распределению света (например, в стандарте GB 4599-2007 «Автомобильные лампы накаливания для фар»), определите расстояние и угол расположения светодиодной матрицы, чтобы обеспечить равномерное световое пятно и отсутствие бликов.

Оптическое согласование линз: модуль печатной платы должен зарезервировать точки крепления линзы, чтобы обеспечить точное выравнивание между центром излучения светодиода и фокусной точкой линзы, избегая потери светоотдачи.

III. Проект управления температурным режимом (основной ключ)

Затухание света и срок службы автомобильных светодиодов напрямую зависят от тепловыделения. Управление температурным режимом должно осуществляться на протяжении всего процесса разработки модуля печатной платы:

Проектирование пути рассеивания тепла

Установите эффективный путь отвода тепла: «Светодиодный чип → паяльная площадка → подложка печатной платы → кронштейн радиатора → корпус фары».

Печатная плата на основе алюминия и кронштейн радиатора должны быть заполнены теплопроводящими силиконовыми/термопрокладками (теплопроводность ≥3 Вт/(м·К)), чтобы устранить зазоры между контактами и снизить тепловое сопротивление.

Проверка теплового моделирования

Используя программное обеспечение ANSYS Icepak и Flotherm для теплового моделирования, убедитесь, что температура перехода светодиода (Tj) составляет ≤120 ℃ (номинальная температура перехода светодиодов автомобильного класса обычно составляет 150 ℃ с запасом прочности).

Моделирование должно моделировать экстремальные условия эксплуатации: например, включение света после длительного воздействия высоких летних температур или непрерывную работу.

Вспомогательная конструкция снижения тепла

Модули высокой мощности могут иметь радиаторы, расположенные на задней стороне печатной платы (должны соответствовать корпусу) для увеличения площади рассеивания тепла.

Избегайте плотного локализованного выделения тепла на печатной плате; рационально распределить расположение светодиодов, чтобы снизить концентрацию тепла.

IV. Проектирование электрической совместимости и совместимости драйверов

Согласование электрических параметров

Входное напряжение: соответствует автомобильным энергосистемам (легковые автомобили 12 В / коммерческие автомобили 24 В) с запасом на колебания напряжения ±20 % (например, системы 12 В совместимы с напряжением 9–16 В).

Защита от перегрузки по току/перенапряжения: Модуль печатной платы должен иметь предохранитель/предохранитель сброса или быть связан со схемой управления для обеспечения защиты от перегрузки по току и короткого замыкания.

Электромагнитная совместимость (ЭМС)

Автомобильные фары являются автомобильными электронными компонентами и должны соответствовать требованиям GB 21437-2015 «Требования к электромагнитной совместимости и методы испытаний для легковых автомобилей».

Меры проектирования печатной платы:

Добавьте заземляющую медную фольгу, чтобы закрыть пустые участки печатной платы, чтобы уменьшить электромагнитное излучение.

Добавьте конденсаторы фильтра (например, керамический конденсатор 0,1 мкФ + электролитический конденсатор 10 мкФ) рядом со светодиодом в цепи управления, чтобы подавить пульсации источника питания.

Согласование импеданса (например, 50 Ом) для высокочастотных сигнальных линий для уменьшения отражения сигнала.

V. Механическая надежность и адаптация к окружающей среде.

Устойчивость к вибрации

При работе автомобиля возникают высокочастотные вибрации. Модуль печатной платы должен соответствовать стандартам испытаний на вибрацию (например, IEC 60068-2-6):

Выберите более жесткую подложку (например, печатную плату на основе меди), чтобы избежать изгиба и деформации печатной платы.

Используйте резиновые прокладки между монтажными отверстиями и креплениями для смягчения вибрационных воздействий.

Экологическая коррозионностойкая конструкция

Внутри фар может образоваться конденсат; поэтому на печатной плате требуется трехслойное покрытие (влагостойкое, устойчивое к плесени и устойчивое к солевым брызгам) с толщиной покрытия ≥20 мкм, покрывающее схему и площадки для предотвращения окисления и коррозии.

Используются водонепроницаемые разъемы автомобильного класса (например, со степенью защиты IP67), а для подключения к печатной плате используется метод двойной фиксации: пайка и заливка.

VI. Автомобильная сертификация и проверка испытаний

Основные стандарты сертификации

Уровень продукта: Должен пройти сертификацию E-Mark (ЕС), сертификацию DOT (США) и сертификацию CCC (Китай).

Уровень компонента: Подложка печатной платы должна соответствовать требованиям системы управления качеством автомобильной промышленности IATF 16949, а светодиодные устройства должны пройти сертификацию AEC-Q102.

Ключевые элементы тестирования

Тип теста | Основной предмет | Стандарт испытаний

Тестирование надежности | Термический удар, старение при высоких и низких температурах, испытания на вибрацию | МЭК 60068

Оптическое тестирование | Световой поток, цветовая температура, кривая светораспределения | ГБ 4599

Электрические испытания | Испытание на устойчивость к напряжению, сопротивление изоляции, испытание на ЭМС | ГБ 21437

Экологические испытания | Испытание на солевой туман, испытание на водонепроницаемость и пыленепроницаемость | МЭК 60529

VII. Контроль производственного процесса

Требования к процессу SMT

Температурный профиль пайки оплавлением должен соответствовать характеристикам термостойкости светодиода и подложки печатной платы, чтобы избежать высокотемпературного повреждения устройства.

Высокотемпературная паяльная паста, не содержащая свинца (температура плавления ≥217 ℃), выбрана для обеспечения надежности пайки автомобильного уровня.

Процесс проверки

100% AOI (автоматическая оптическая проверка) выполняется для проверки на наличие дефектов, таких как соединения холодной пайки и короткие замыкания.

Отбор проб проводится для рентгеновского контроля с целью проверки качества паяных соединений светодиодов в корпусе BGA.