تصميم لوحة الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألومنيوم بتقنية LED ودليل التصنيع (DFM)

تُعدّ درجة حرارة وصلة LED العاملَ الوحيدَ الذي يُحدِّد معدل انخفاض شدة الإضاءة، وتغيّر اللون، وعمر البطارية. فكل عنصر في تصميم لوحة الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألومنيوم لمصابيح LED يُسهم في رفع أو خفض درجة حرارة الوصلة. يستطيع المصمم الذي يُدرك التسلسل الحراري من الوصلة إلى المحيط اتخاذ قرارات تصميمية تُحسِّن هامش الأمان بمقدار 10-20 درجة مئوية من مُشتِّت حراري مُحدَّد. أما المصمم الذي يُعامل لوحة الدوائر المطبوعة كركيزة تثبيت ميكانيكية ويترك تحسين الأداء الحراري لمُورِّد المُشتِّت الحراري، فإنه يُضيِّع هذا الهامش دون داعٍ. يُغطي هذا الدليل قرارات التصميم المهمة.

السلسلة الحرارية: أين تذهب الحرارة وأين تتوقف

المادة الملاحة

1. السلسلة الحرارية: أين تذهب الحرارة وأين تتوقف
2. إجراء محاكاة حرارية قبل اعتماد التصميم
3. هندسة لوحة LED: دقة البصمة وموثوقية وصلة اللحام
4. عرض مسار النحاس لسلاسل مصابيح LED عالية التيار
5. مناطق الحظر ومسافة الزحف لمحركات LED المدمجة
6. قواعد التصميم للتصنيع الخاصة بتصميم لوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألومنيوم بتقنية LED
7. قائمة التحقق من تسليم التصميم لتصنيع لوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألومنيوم بتقنية LED
8. الأسئلة الشائعة

تنتقل الحرارة من وصلة LED إلى غلاف LED، ثم إلى وصلة اللحام، ثم إلى وسادة النحاس، ثم إلى طبقة العزل الكهربائي، ثم إلى قاعدة الألومنيوم، ثم إلى المشتت الحراري، وأخيرًا إلى المحيط. لكل وصلة قيمة مقاومة حرارية، وتساهم لوحة الدوائر المطبوعة بثلاث قيم: مقاومة وصلة اللحام، ومقاومة وصلة النحاس بالعزل الكهربائي، ومقاومة طبقة العزل الكهربائي نفسها.

تُعد المقاومة العازلة هي العامل الحراري المهيمن في لوحات الدوائر المطبوعة:

• عند معامل انتقال حراري 1.0 واط/متر·كلفن، وعازل كهربائي بسماكة 100 ميكرومتر: θ_dielectric ≈ 1.0 درجة مئوية/واط لكل سنتيمتر مربع من مساحة الوسادة
• عند معامل عزل كهربائي 2.0 واط/متر·كلفن، وسماكة 100 ميكرومتر: θ_dielectric ≈ 0.5 درجة مئوية/واط لكل سنتيمتر مربع
• عند معامل عزل كهربائي 3.0 واط/متر·كلفن، وسماكة 100 ميكرومتر: θ_dielectric ≈ 0.33 درجة مئوية/واط لكل سنتيمتر مربع

بالنسبة لمصباح LED بقدرة 3 واط على قاعدة 3 × 3 مم، يبلغ الفرق بين معامل العزل الكهربائي 1.0 و3.0 واط/متر·كلفن حوالي 5 درجات مئوية في درجة حرارة الوصلة عند الشريحة. وإذا طبقنا هذا التأثير على وحدة إضاءة بقدرة 150 واط مزودة بـ 50 مصباح LED، فسيكون التأثير على مستوى النظام كبيرًا.

تُضيف القاعدة المصنوعة من الألومنيوم مقاومة حرارية ضئيلة إذا كانت سميكة بما يكفي (≥ 1.0 مم) واستُخدمت مادة توصيل حراري مناسبة عند نقطة اتصالها بالمشتت الحراري. غالبًا ما تكون نقطة اتصال القاعدة بالمشتت الحراري هي مصدر المقاومة الحرارية الأكبر في التجميع، ولكنها خارجة عن سيطرة مصمم لوحة الدوائر المطبوعة بشكل مباشر.

إجراء محاكاة حرارية قبل اعتماد التصميم

تمنع المحاكاة الحرارية قبل تصميم لوحة الدوائر المطبوعة خطأين مكلفين: بناء لوحة لا يمكنها التبريد بشكل كافٍ عند الطاقة المقدرة، وتحديد العازل بشكل مفرط بتكلفة غير ضرورية.

مدخلات تحليل العناصر المحدودة لمحاكاة لوحة الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألومنيوم بتقنية LED:

• المقاومة الحرارية لحزمة LED (θ_j-s، من ورقة البيانات)
• القدرة الأمامية لمصابيح LED عند تيار التشغيل
• أبعاد الوسادة والقطعة الحرارية
• درجة العزل الكهربائي وسمكه (هذا هو المعامل الذي تقوم بحسابه)
• أبعاد قاعدة الألومنيوم وسبائكها
• مقاومة المشتت الحراري وقيمة مادة التوصيل الحراري لواجهة التركيب
• درجة الحرارة المحيطة (في أسوأ الأحوال: عادةً 50-60 درجة مئوية للوحدات الإنارة المغلقة)

ما تخبرك به مخرجات المحاكاة:

• أقصى درجة حرارة لوصلة LED - قارنها بتصنيف T_j (عادةً 125-150 درجة مئوية لحزم LED الحديثة)
• النقاط الساخنة الناتجة عن تجمع مصابيح LED - إذا تم وضع مصابيح LED على مقربة شديدة من بعضها البعض، فإن المقاومة الحرارية من مصادر الحرارة المجاورة لمصابيح LED تزيد من درجة حرارة الوصلة.
• درجة حرارة العزل الكهربائي المطلوبة للبقاء ضمن نطاق درجة حرارة الوصلة

تُقدّم شركة هايليب إلكترونيكس خدمات محاكاة حرارية للوحات الدوائر المطبوعة المعدنية (MCPCB) للعملاء الذين يحتاجون إلى التحقق من صحة مواصفات طبقاتهم قبل بدء الإنتاج. ويُعدّ هذا مفيدًا بشكل خاص عندما يؤثر اختيار قيمة العازل الكهربائي بين 2.0 و 3.0 واط/متر·كلفن بشكل كبير على تكلفة المواد.

هندسة لوحة LED: دقة البصمة وموثوقية وصلة اللحام

تُعدّ هندسة نقاط التلامس على لوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألومنيوم لمصابيح LED أكثر حساسيةً من تلك الموجودة على لوحات FR-4 القياسية، وذلك لأن الكتلة الحرارية لقاعدة الألومنيوم عالية، ويصعب التحكم بدرجة حرارة إعادة التدفق. أخطاء تصميم نقاط التلامس الشائعة:

وسادات حرارية كبيرة الحجم : تؤدي الوسادة الحرارية الأكبر من مساحة قاعدة اللحام في عبوة LED إلى تراكم اللحام أثناء عملية إعادة التدفق، مما قد يتسبب في تسرب اللحام من نقاط التلامس، وبالتالي عدم كفاية تكوين الوصلات عند نقاط التلامس بين الإشارة والمصعد والمهبط. لذا، يجب أن يكون حجم الوسادة الحرارية أكبر بمقدار 0-0.1 مم من كل جانب من قاعدة اللحام في العبوة، وليس 0.3-0.5 مم كما هو محدد أحيانًا لمادة FR-4.

نسبة فتحات قناع اللحام : بالنسبة للوسادات الحرارية الكبيرة (أكبر من 3 × 3 مم)، استخدم فتحات قناع لحام مجزأة - فتحات صغيرة متعددة بدلاً من وسادة واحدة مكشوفة بالكامل - للتحكم في حجم المعجون ومنع الفراغات. استهدف تعريض 50-70% من مساحة النحاس للوسادات التي تبلغ مساحتها 9 مم² أو أكبر.

استواء نقاط التلامس : تتعرض لوحات الألومنيوم ذات سماكة العازل الكهربائي المتفاوتة لانحناء طفيف أثناء عملية إعادة اللحام. يمكن تحقيق استواء نقاط التلامس بمقدار ≤0.05 مم مع التحكم في سماكة العازل الكهربائي. إذا كانت عملية طباعة المعجون تعتمد على استواء دقيق، فناقش هذا الأمر مع المصنع كمواصفات محددة. ادرس كيف يؤثر تصميم قناع اللحام على لوحات الدوائر المطبوعة على إنتاجية التجميع على الركائز المعدنية.

عرض مسار النحاس لسلاسل مصابيح LED عالية التيار

يوفر معيار IPC-2152 (المعروف سابقًا باسم IPC-2221) مرجعًا لعرض المسار مقابل سعة التيار. في لوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألومنيوم والمخصصة لمصابيح LED، يُنصح باستخدام جداول مسارات الطبقة الداخلية بدلًا من الطبقة الخارجية، لأن المسار يقع على السطح بينما تمتص قاعدة الألومنيوم الحرارة من الأسفل، مما يُحاكي جزئيًا السلوك الحراري للطبقة الداخلية.

إرشادات عملية لعرض المسار لنحاس بوزن 1 أونصة على لوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألومنيوم لمصابيح LED، مع ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية:

للتيارات التي تزيد عن 5 أمبير، يُنصح باستخدام نحاس بوزن 2 أونصة أو 3 أونصات. يستهلك عرض المسار المطلوب عند استخدام 1 أونصة لتيار 10 أمبير (5 مم) مساحةً من التصميم يُمكن استغلالها بشكل أفضل لإضافة مصابيح LED في التصاميم عالية الكثافة. استكشف مبادئ تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) ذات النحاس السميك عندما يتجاوز وزن النحاس 2 أونصة.

مناطق الحظر ومسافة الزحف لمحركات LED المدمجة

تتضمن العديد من تصميمات لوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألومنيوم والمخصصة لمصابيح LED دمج دوائر تشغيل مصابيح LED على نفس اللوحة التي تحتوي على مصفوفة مصابيح LED. ينتج عن ذلك منطقة ذات جهد عالٍ (جانب إدخال دائرة التشغيل: 100-350 فولت تيار متردد أو مستمر) مجاورة لسلسلة مصابيح LED ذات الجهد المنخفض. قواعد التصميم:

مسافة الزحف : يحدد كل من معيار IEC 60950-1 ومعيار IEC 62368-1 متطلبات مسافة الزحف والمسافة الفاصلة بين الموصلات ذات الجهد العالي والمنخفض. بالنسبة للعزل المعزز عند جهد تشغيل 250 فولت تيار متردد، تبلغ مسافة الزحف الدنيا على لوحة الدوائر المطبوعة 6.4 مم (درجة التلوث 2، مجموعة المواد IIIa). في لوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألومنيوم والمخصصة لمصابيح LED، حيث تكون قاعدة الألومنيوم عند جهد الهيكل، يتطلب الأمر أيضًا تحليل مسافة الزحف من أي موصل حي إلى أقرب حافة للوحة أو فتحة تثبيت.

حماية من الجهد العالي من فتحات التثبيت : تربط فتحات التثبيت المصنوعة من الألومنيوم القاعدة بهيكل الجهاز. يجب أن تحافظ أي مسارات جهد عالي على مسافة زحف/خلوص من هذه الفتحات، مع مراعاة قطر المثبت الموصل.

وسادات حرارية لدوائر التحكم المتكاملة : تحتوي بعض دوائر التحكم المتكاملة لمصابيح LED على وسادات حرارية مكشوفة ذات جهد عالٍ (وليست أرضية). تحقق من جهد الوسادة قبل تحديد فتحات قناع اللحام وصب النحاس بالقرب من هذه المكونات.

قواعد التصميم للتصنيع الخاصة بتصميم لوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألومنيوم بتقنية LED

يختلف تصميم قابلية التصنيع على ركائز الألومنيوم عن تصميم FR-4 في عدة جوانب:

لا توجد فتحات توصيل في الوسادات الحرارية : على عكس مادة FR-4 حيث تُستخدم أحيانًا فتحات التوصيل داخل الوسادة مع حشو نحاسي، فإن لوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألومنيوم والمخصصة لمصابيح LED لا تدعم فتحات التوصيل المدفونة أو العمياء. يجب أن تتم جميع عمليات التوجيه في طبقة نحاسية واحدة. وتُستبدل تقنية توزيع الحرارة القائمة على فتحات التوصيل بصب النحاس أو المسارات العريضة.

الحد الأدنى لسمك الحلقة الدائرية لحفر الألومنيوم : نظرًا لتآكل أدوات الحفر بفعل الألومنيوم، يكون انحراف المثقاب أعلى قليلًا منه في مادة FR-4. يجب أن يكون الحد الأدنى لسمك الحلقة الدائرية للثقوب المطلية في لوحات الدوائر المطبوعة LED المصنوعة من الألومنيوم 0.25 مم، وليس 0.15 مم كما هو مقبول في مادة FR-4.

مسافة التباعد عن خطوط القطع على شكل حرف V : تبلغ مسافة التباعد القياسية عن خطوط القطع على شكل حرف V 0.5 مم للمكونات على مادة FR-4. أما على الألومنيوم، فيمكن أن يتراوح عمق شفرة القطع على شكل حرف V بين ±0.1 مم، ويُحدث القطع على الألومنيوم تشويشًا طفيفًا على السطح. لذا، يُنصح بزيادة مسافة التباعد عن خطوط القطع على شكل حرف V إلى 0.75 مم على لوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألومنيوم والمخصصة لمصابيح LED.

لا يتوفر طلاء الحواف : لا تدعم لوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألومنيوم بتقنية LED طلاء الحواف. يجب أن تتم أي متطلبات توصيل كهربائي على حافة اللوحة من خلال نقاط توصيل ممتدة للخلف من الحافة بمقدار 0.5 مم على الأقل.

لإجراء مراجعة كاملة للتصميم من أجل التصنيع قبل تقديم تصميمك للإنتاج، استخدم قائمة التحقق من التصميم من أجل التصنيع للوحة الدوائر المطبوعة كمرجع قبل التقديم.

قائمة التحقق من تسليم التصميم لتصنيع لوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألومنيوم بتقنية LED

قبل إرسال الملفات إلى الشركة المصنعة:

• ملفات Gerber: طبقة النحاس، طبقة قناع اللحام العلوية، طبقة طباعة الشاشة الحريرية العلوية، مخطط اللوحة (DXF أو طبقة Gerber مخصصة)
• ملف الحفر: جميع الثقوب مع أقطارها، مع تحديد ما إذا كانت مطلية أم لا.
• مواصفات الطبقات: درجة الألومنيوم، السماكة، درجة العزل الكهربائي (درجة Tc)، وزن النحاس، إجمالي سماكة اللوحة
• مواصفات تشطيب السطح: سمك طبقة الذهب/النيكل ENIG، أو HASL/OSP
• متطلبات جهد الجهد العالي
• فئة IPC (2 أو 3)
• المواصفات المحددة: تفاوت سمك العازل، تفاوت سمك النحاس
• لون قناع اللحام ونسبة الفتحة على الوسادات الحرارية الكبيرة
• تفاصيل شطف أو غاطس فتحة التثبيت إذا لزم الأمر

يقوم فريق الهندسة في شركة هايليب للإلكترونيات بمراجعة مجانية للتصميم من أجل التصنيع (DFM) للملفات المُقدمة قبل تقديم عرض السعر، وذلك لتحديد أي من المشكلات المذكورة أعلاه قبل أن تتحول إلى عيوب إنتاجية أو لوحات مرفوضة. يتم إرسال المراجعة خلال يوم عمل أو يومين.

الأسئلة الشائعة

ما هي أداة المحاكاة الأنسب لتصميم العزل الحراري للوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألومنيوم بتقنية LED؟ يُعدّ كلٌّ من ANSYS Icepak وMentor FloTHERM أداتين متكاملتين لتحليل العناصر المحدودة (FEA) مع مكتبات مواد لعوازل لوحات الدوائر المطبوعة المعدنية (MCPCB). وللحصول على نتائج أسرع خلال مرحلة التصميم الأولية، تتضمن أدوات المحاكاة التي يستخدمها مصنّعو مصابيح LED (مثل Lumileds SiteMap وOSRAM LED Expert) نماذج حرارية مبسطة. أي محاكاة أفضل من عدم وجود محاكاة على الإطلاق، حتى نموذج جدول البيانات لمقاومة التوصيل الحراري بين الوصلة والبيئة المحيطة يكشف أخطاء التصميم الرئيسية قبل مرحلة النماذج الأولية.

كيف أتعامل مع مستويي التأريض والطاقة على لوحة دوائر مطبوعة أحادية الطبقة من الألومنيوم لمصابيح LED؟ لا تحتوي اللوحات أحادية الطبقة على مستوى تأريض بالمعنى التقليدي للوحات متعددة الطبقات FR-4. يجب توجيه الطاقة والتأريض (أو مسار عودة التيار) كمسارات منفصلة. يمكن استخدام طبقات النحاس في المناطق غير المستخدمة كمسارات محلية لعودة التيار، ولكنها غير متصلة كهربائيًا بقاعدة الألومنيوم. قاعدة الألومنيوم إما أن تكون تأريضًا للهيكل أو عائمة، وذلك حسب تصميم المصباح - وليست تلقائيًا تأريضًا للدائرة.

ما نوع طلاء الوسادات المناسب لمصفوفات مصابيح LED بتقنية COB على لوحات الألومنيوم؟ يُعدّ طلاء ENIG الخيار الأمثل لتجميع لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) لمصابيح LED بتقنية COB (الرقاقة على اللوحة) . فالسطح المستوي والمتجانس ضروري لعمليات تثبيت الرقاقات وربط الأسلاك المستخدمة في إنتاج مصابيح COB. أما تفاوت سطح طلاء HASL فلا يتوافق مع تفاوتات ارتفاع الربط في تجميع مصابيح COB.

كيف تؤثر قاعدة الألومنيوم على عملية إعادة تدفق اللحام في تقنية التجميع السطحي (SMT)؟ تمتص قاعدة الألومنيوم الحرارة أثناء التسخين، مما يتطلب معدل تسخين أبطأ (بحد أقصى 2 درجة مئوية/ثانية) وربما درجة حرارة أعلى في منطقة الذروة للوصول إلى درجة حرارة مناسبة للوصلة. كما تحتفظ القاعدة بالحرارة بعد تجاوز منطقة الذروة، مما يطيل الفترة الزمنية فوق درجة انصهار المادة. اطلب ملف تعريف مخصص لإعادة تدفق اللحام من شريك التجميع الخاص بك عند التحويل من لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) المصنوعة من مادة FR-4 إلى لوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألومنيوم.