Návrh hliníkových LED desek plošných spojů a průvodce DFM

Teplota spoje LED diody je jedinou proměnnou, která určuje míru snížení světelného toku, barevný posun a dobu do selhání. Vše v konstrukci hliníkových LED desek plošných spojů buď přispívá k teplotě spoje, nebo ji snižuje. Návrhář, který rozumí tepelnému řetězci od spoje až po okolní prostředí, může činit rozhodnutí o rozvržení, která z daného chladiče získají rezervu 10–20 °C. Návrhář, který zachází s deskou plošných spojů jako s mechanickým montážním substrátem a tepelnou optimalizaci nechává na dodavateli chladiče, tuto rezervu zbytečně vrací. Tato příručka se zabývá konstrukčními rozhodnutími, na kterých záleží.

Tepelný řetězec: Kam teplo odchází a kde se zastavuje

Navigace článků

1. Tepelný řetězec: Kam teplo odchází a kde se zastavuje
2. Spuštění tepelné simulace před potvrzením rozvržení
3. Geometrie LED podložky: Přesnost otisku a spolehlivost pájeného spoje
4. Šířka měděného vodiče pro vysokoproudé LED řetězce
5. Zóny ochrany a povrchová vzdálenost pro integrované LED budiče
6. Pravidla DFM specifická pro rozvržení hliníkových LED desek plošných spojů
7. Kontrolní seznam pro předání návrhu pro výrobu hliníkových LED desek plošných spojů
8. Nejčastější dotazy

Teplo proudí z LED spoje → pouzdro LED → pájený spoj → měděná podložka → dielektrická vrstva → hliníková základna → chladič → okolí. Každé rozhraní má hodnotu tepelného odporu a deska plošných spojů přispívá třemi faktory: odporem pájeného spoje, rozhraním měď-dielektrikum a samotnou dielektrickou vrstvou.

Dielektrický odpor je dominantním tepelným pojmem pro desky plošných spojů:

• Při 1.0 W/m·K, dielektriku 100 µm: θ_dielektrikum ≈ 1.0 °C/W na cm² plochy kontaktní plošky
• Při 2.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielektrické ≈ 0.5 °C/W na cm²
• Při 3.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielektrické ≈ 0.33 °C/W na cm²

Pro 3W LED na podložce 3 × 3 mm je rozdíl mezi dielektrickým odporem 1.0 a 3.0 W/m·K přibližně 5 °C teploty přechodu na čipu. Pokud to rozšíříme na 150W svítidlo s 50 LED diodami, dopad na systém je značný.

Hliníková základna přidává zanedbatelný tepelný odpor, pokud je dostatečně silná (≥1.0 mm) a rozhraní s chladičem používá vhodný TIM (tepelně vodivý materiál). Rozhraní mezi základnou a chladičem představuje často největší tepelný odpor v sestavě – ale je mimo přímou kontrolu konstruktéra desky plošných spojů.

Spuštění tepelné simulace před potvrzením rozvržení

Tepelná simulace před návrhem desky plošných spojů zabraňuje dvěma drahým chybám: konstrukci desky, která se při jmenovitém výkonu nedokáže dostatečně chladit, a nadměrnému dimenzování dielektrika za zbytečné náklady.

Vstupy FEA pro simulaci hliníkových LED desek plošných spojů:

• Tepelný odpor pouzdra LED (θ_j-s, z datového listu)
• Propustný výkon LED při provozním proudu
• Rozměry podložky a tepelného náboje
• Dielektrický stupeň a tloušťka (toto je parametr, který řešíte)
• Rozměry a slitina hliníkové základny
• Odpor chladiče a hodnota TIM pro montážní rozhraní
• Okolní teplota (v nejhorším případě: obvykle 50–60 °C pro uzavřená svítidla)

Co vám říká výstup simulace:

• Maximální teplota přechodu LED diod – porovnejte s teplotou T_j (obvykle 125–150 °C pro moderní pouzdra LED diod)
• Horká místa z shlukování LED diod – pokud jsou LED diody umístěny příliš blízko sebe, tepelný odpor ze sousedních zdrojů tepla LED diod zvyšuje teplotu spoje
• Požadovaná dielektrická Tc pro dodržení rozpočtu teploty spoje

Společnost Highleap Electronics poskytuje podporu pro tepelnou simulaci MCPCB zákazníkům, kteří potřebují ověřit specifikaci svého stohu před zahájením výroby. To je obzvláště užitečné v případech, kdy volba mezi dielektrickou vodivostí 2.0 a 3.0 W/m·K významně ovlivňuje náklady na materiál.

Geometrie LED podložky: Přesnost otisku a spolehlivost pájeného spoje

Geometrie plošek na hliníkových deskách plošných spojů s LED diodami má menší dopady než na standardních FR-4, protože tepelná hmotnost hliníkové základny je vysoká a regulace teploty přetavování je obtížnější. Běžné chyby v konstrukci plošek:

Nadměrně velké tepelné podložky : Tepelná podložka větší než rozměr podložky pouzdra LED diody vytváří během přetavování zásobník pájky, který může odvádět pájku ze signálních podložek, což způsobuje nedostatečné vytvoření spojů na signálních/anodových/katodových podložkách. Tepelná podložka by měla být o 0–0.1 mm na stranu větší než tepelná podložka pouzdra, nikoli o 0.3–0.5 mm, jak je někdy specifikováno pro FR-4.

Poměr otevření pájecí masky : U velkých tepelných podložek (>3 × 3 mm) použijte segmentovaný otvor pájecí masky – více menších otvorů namísto jedné plně odkryté podložky – pro kontrolu objemu pasty a zabránění úniku dutin. U podložek o velikosti ≥ 9 mm² se předpokládá odkrytí 50–70 % plochy mědi.

Koplanarita plošek : Hliníkové desky s proměnnou dielektrickou tloušťkou se během přetavování mírně deformují. Koplanarita plošek ≤ 0.05 mm je dosažitelná s řízenou dielektrickou tloušťkou. Pokud váš tisk pastou závisí na těsné koplanaritě, prodiskutujte to s výrobcem jako řízenou specifikaci. Prozkoumejte, jak návrh pájecí masky na deskách plošných spojů ovlivňuje výtěžnost sestavy na kovových substrátech.

Šířka měděného vodiče pro vysokoproudé LED řetězce

Standard IPC-2152 (dříve IPC-2221) poskytuje referenci pro šířku trasy v závislosti na proudové kapacitě. U hliníkových LED desek plošných spojů použijte tabulky tras vnitřní vrstvy spíše než vnější vrstvy – protože trasa je na povrchu, ale hliníková základna absorbuje teplo zespodu, čímž částečně replikuje tepelné chování vnitřní vrstvy.

Praktické pokyny pro šířku stopy pro 1 oz mědi na hliníkových LED deskách plošných spojů, nárůst teploty o 10 °C:

Pro proudy nad 5 A přejděte na měď o hmotnosti 2 nebo 3 g. Požadovaná šířka trasy 1 g pro 10 A (5 mm) zabírá prostor v rozvodné ploše, který je lépe využít pro další LED diody ve vysoce hustých provedeních. Prozkoumejte principy návrhu desek plošných spojů s vysokou hmotností mědi , pokud hmotnost mědi přesahuje 2 g.

Zóny ochrany a povrchová vzdálenost pro integrované LED budiče

Mnoho hliníkových LED desek plošných spojů integruje obvody ovladače LED na stejné desce jako LED pole. Tím se vytvoří oblast vysokého napětí (vstupní strana ovladače: 100–350 V AC nebo DC) sousedící s nízkonapěťovým řetězcem LED. Pravidla návrhu:

Povrchová dráha : Normy IEC 60950-1 a IEC 62368-1 definují požadavky na povrchovou dráhu a vzdušnou vzdálenost mezi vodiči vysokého a nízkého napětí. Pro zesílenou izolaci při pracovním napětí 250 V AC je minimální povrchová dráha na desce plošných spojů 6.4 mm (stupeň znečištění 2, materiálová skupina IIIa). U hliníkových desek plošných spojů s LED diodami, kde je hliníková základna na potenciálu šasi, vyžaduje analýzu povrchové dráhy také vzdálenost od jakéhokoli živého vodiče k nejbližšímu okraji desky nebo montážnímu otvoru.

Ochrana před vysokým napětím v blízkosti montážních otvorů : Hliníkové montážní otvory spojují základnu s šasi svítidla. Jakýkoli vodič vysokého napětí musí dodržovat dostatečnou povrchovou/mezeru od těchto otvorů s ohledem na průměr vodivého upevňovacího prvku.

Tepelné podložky integrovaných obvodů budičů : Některé integrované obvody budičů LED mají odkryté tepelné podložky s vysokým potenciálem napětí (ne uzemnění). Před definováním otvorů pro pájecí masku a měděných odlitků v blízkosti těchto součástek ověřte napětí na podložkách.

Pravidla DFM specifická pro rozvržení hliníkových LED desek plošných spojů

Návrh pro vyrobitelnost na hliníkových podkladech se od FR-4 liší v několika oblastech:

Žádné průchodky v tepelných podložkách : Na rozdíl od FR-4, kde se někdy používají průchodky v podložce s měděnou výplní, hliníkové desky plošných spojů s LED diodami nepodporují zapuštěné ani slepé průchodky. Veškeré trasování musí být provedeno v jediné měděné vrstvě. Rozvod tepla založený na průchodkách nahrazují měděné lití a široké trasy.

Minimální průměr prstence pro vrtání hliníku : Vzhledem k oděru hliníku o vrtací nástroje je výchylka vrtáku mírně vyšší než u FR-4. Minimální průměr prstence pro pokovené průchozí otvory na hliníkových deskách plošných spojů s LED diodami by měl být 0.25 mm, nikoli 0.15 mm, jak by mohlo být u FR-4 přijatelné.

Vymezení vzdálenosti součástek od čar V-drážky : Standardní vymezení vzdálenosti od čar V-drážky je 0.5 mm pro součástky na FR-4. Na hliníku může být odchylka hloubky čepele V-drážky ±0.1 mm a hliníková rýha vytváří mírné narušení povrchu. Zvyšte vymezení vzdálenosti součástek od čar V-drážky na 0.75 mm na hliníkových deskách plošných spojů s LED diodami.

Pokovování hran není k dispozici : Hliníkové LED desky plošných spojů nepodporují pokovování hran. Veškeré elektrické připojení na okraji desky musí být provedeno pomocí kontaktních plošek odtažených od okraje o ≥0.5 mm.

Pro kompletní kontrolu DFM před odesláním návrhu do výroby použijte kontrolní seznam DFM pro PCB jako referenci před odesláním.

Kontrolní seznam pro předání návrhu pro výrobu hliníkových LED desek plošných spojů

Před odesláním souborů výrobci:

• Soubory Gerber: měděná vrstva, vrchní pájecí maska, vrchní vrstvu sítotisku, obrys desky (DXF nebo vyhrazená vrstva Gerber)
• Vrtací pilník: všechny otvory s uvedením průměrů, označení s/bez pokovení
• Specifikace propojení: třída hliníku, tloušťka, dielektrický stupeň Tc, hmotnost mědi, celková tloušťka desky
• Specifikace povrchové úpravy: tloušťka zlata/niklu ENIG nebo HASL/OSP
• Požadované napětí pro vysoký potenciometr
• Třída IPC (2 nebo 3)
• Řízené specifikace: tolerance tloušťky dielektrika, tolerance tloušťky mědi
• Barva pájecí masky a poměr otvorů na velkých tepelných podložkách
• Detaily zkosení nebo zahloubení montážního otvoru, pokud je to nutné

Technický tým společnosti Highleap Electronics provádí před podáním cenové nabídky bezplatnou kontrolu DFM (Design for Factory Process - DFM) zaslaných souborů a identifikuje výše uvedené problémy dříve, než se z nich stanou výrobní vady nebo odmítnuté desky. Kontrola je vrácena do 1–2 pracovních dnů.

Nejčastější dotazy

Jaký simulační nástroj bych měl použít pro tepelný návrh hliníkových LED desek plošných spojů? ANSYS Icepak a Mentor FloTHERM jsou plnohodnotné nástroje pro konečné prvky (FEA) s knihovnami materiálů pro dielektrika MCPCB. Pro rychlejší výsledky během počátečního návrhu zahrnují simulační nástroje výrobců LED (Lumileds SiteMap, OSRAM LED Expert) zjednodušené tepelné modely. Jakákoli simulace je lepší než žádná – i tabulkový model tepelného odporu mezi spojem a okolím zachytí hlavní chyby v návrhu před vytvořením prototypu.

Jak mám naložit se zemnící a napájecí rovinou na jednovrstvé hliníkové desce plošných spojů s LED diodami? Jednovrstvé desky nemají zemnící rovinu v tradičním smyslu vícevrstvých desek FR-4. Napájení a zem (nebo návrat proudu) musí být vedeny jako samostatné vodiče. Měděné vývody na nevyužité ploše mohou sloužit jako lokální cesty návratu proudu, ale nejsou elektricky připojeny k hliníkové základně. Hliníková základna je buď uzemněna pro šasi, nebo plovoucí, v závislosti na konstrukci svítidla – nejedná se automaticky o uzemnění obvodu.

Jakou povrchovou úpravu plošek bych měl specifikovat pro pole COB LED na hliníkových deskách? ENIG je správnou volbou pro osazování desek plošných spojů s COB (chip-on-board) LED . Plochý, reprodukovatelný povrch je nezbytný pro procesy připevňování čipů a spojování vodičů používané při výrobě COB. Variace povrchu HASL je neslučitelná s tolerancemi výšky spoje při osazování COB.

Jak hliníková základna ovlivňuje profil přetavování SMT? Hliníková základna absorbuje teplo během náběhu, což vyžaduje pomalejší rychlost náběhu (maximálně 2 °C/s) a potenciálně vyšší teplotu špičkové zóny pro dosažení odpovídající teploty kontaktní plošky. Základna si také udržuje teplo po opuštění špičkových zón, čímž prodlužuje dobu nad likvidem. Pokud přecházíte z FR-4 na hliníkové LED desky plošných spojů, vyžádejte si od svého montážního partnera speciální profil přetavování.