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Placas de circuito impreso con sustrato metálico en el diseño de sistemas LED
Las placas de circuito impreso (PCB) con sustrato metálico para LED constituyen una solución muy utilizada en los sistemas de iluminación LED de alto rendimiento gracias a su excelente capacidad de disipación térmica. A la hora de diseñar una PCB con sustrato metálico para LED, es fundamental tener en cuenta numerosos aspectos eléctricos, térmicos y de fabricación que pueden influir en la fiabilidad, la seguridad y el rendimiento del producto final.
En este artículo en profundidad analizamos los principales factores que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar circuitos impresos para la iluminación LED profesional.
La capa dieléctrica en las placas de circuito impreso con sustrato metálico para LED
1. Composición y propiedades generales
Como es sabido, el aislamiento entre el sustrato metálico y la capa de cobre se consigue mediante una fina capa de material dieléctrico.
El fabricante no suele facilitar la composición exacta de esta capa.
Entre los materiales más utilizados para la fabricación de la capa dieléctrica se encuentran las resinas epoxi, cuya conductividad térmica se incrementa mediante la adición de materiales de relleno (filler).
Entre los rellenos más utilizados se encuentran:
- Alúmina (Al₂O₃)
- Nitruro de boro (BN)
- Óxido de berilio (BeO)
La alúmina es la solución más extendida gracias a su buen equilibrio entre coste, seguridad y conductividad térmica.
Últimamente, para reducir los costes del componente cerámico, se utilizan materiales procedentes de otros procesos industriales, como:
- Caolino
- Talco
- Esteatita
Si no se conoce con exactitud la composición de la capa dieléctrica, no se recomienda realizar cortes ni perforaciones en la placa de circuito impreso para evitar la inhalación de polvos potencialmente nocivos.
2. Propiedades eléctricas del dieléctrico
Dado que el dieléctrico está compuesto por una mezcla de resina y polvos cerámicos, la constante dieléctrica final adopta un valor intermedio que depende de las proporciones de la mezcla utilizada.
3. Capacidad que se forma entre las capas conductoras
Las capas de cobre y de aluminio, separadas por el dieléctrico, forman un condensador de placas planas y paralelas.
Para obtener datos fiables, conviene medir la capacidad de una porción conocida de PCB y calcular el valor real de la constante dieléctrica del material utilizado.
4. Efectos de la maquetación y la fotograbado
Retomando lo ya analizado en el estudio relativo a la determinación de los espesores del laminado de una placa de circuito impreso, se puede observar cómo el proceso de fotograbado genera bordes puntiagudos a lo largo de las pistas de cobre.
Como es sabido, la mayor densidad de carga eléctrica se concentra en las zonas caracterizadas por un radio de curvatura reducido.
En las proximidades de dichos puntos, el campo eléctrico alcanza valores elevados, lo que aumenta el riesgo de descargas a través del dieléctrico subyacente.
5. Efectos probabilísticos y defectos del dieléctrico
Cualquier defecto en la homogeneidad del dieléctrico, como cavidades o una serie de cavidades, puede convertirse en puntos de inicio de descargas eléctricas.
La reducción de la superficie de recubrimiento de cobre puede aumentar la probabilidad de superar las pruebas de aislamiento, siempre que se respeten los requisitos de disipación térmica.
6. Corrientes de dispersión hacia el conductor de tierra
Las corrientes de dispersión cobran especial importancia en las aplicaciones de alumbrado público, donde no siempre se garantiza la existencia de una conexión a tierra eficaz.
El valor de disparo para la corriente alterna a 50 Hz se ha fijado en 10 mA. Este límite representa la corriente máxima que podría atravesar el cuerpo humano en caso de contacto con un aparato que no esté correctamente conectado a tierra.
Al calcular el valor de la corriente de dispersión provocada por una placa de circuito impreso (PCB) con sustrato metálico para LED, con una capa dieléctricade d = 100 μm, un área total deA = 400 × 100 mm² y una tensión de línea aplicadade 500 Veff, supongamos además que el área de la capa de cobre es del 25 %.
7. Consideraciones relativas a las descargas electrostáticas
Las descargas electrostáticas pueden aplicarse de forma directa o indirecta.
En el caso de una descarga directa, el generador de ESD puede modelarse como un condensador cargado a 8000 VCC que se descarga directamente en los terminales del módulo LED, según el esquema de la fig. 6.
La capacidad Cd+ se cargará mediante transferencia directa de carga con toda la carga presente en el condensador de prueba de 150 pF.
La tensión a la que se lleva el condensador Cd se puede calcular fácilmente si se supone que los LED no interfieren demasiado en el proceso de transferencia de carga y que todo el circuito de cobre llega a cargarse al mismo potencial. Con una tensión así, si la serie de LED es lo suficientemente larga (140-160 LED en serie), la capacitancia parásita protege la serie de LED de las sobrecorrientes producidas por descargas electrostáticas.
Para esta evaluación siempre se parte de la hipótesis de que el circuito de tierra funciona; de lo contrario, el problema no se plantea.
Dimensionamiento del cobre
Para dimensionar correctamente la capa de cobre en las placas de circuito impreso con sustrato metálico para LED, conviene seguir un procedimiento estructurado:
- Calcular el valor real de la constante dieléctrica del material utilizado.
- Utilizar la superficie mínima de cobre compatible con las necesidades de disipación térmica.
- Calcular la capacidad parásita y la corriente de dispersión resultante.
- Comprobar el comportamiento del circuito en presencia de descargas electrostáticas.
- Realizar las pruebas de aislamiento y de resistencia de aislamiento para comprobar la integridad de la capa dieléctrica.
Nota: la normativa establece una resistencia de aislamiento mínima de 2 MΩ; se trata de un valor muy bajo para cualquier placa de circuito impreso; normalmente se obtienen valores superiores a una decena de GΩ, incluso en placas de circuito impreso muy extensas.
Artículo a cargo de: Paolo Gabbi
