Aluminium LED PCB Design og DFM Guide

LED-forbindelsestemperaturen er den eneste variabel, der bestemmer lumenafskrivningsraten, farveskift og tid til fejl. Alt i design af LED-printkort i aluminium bidrager enten til eller reducerer forbindelsestemperaturen. En designer, der forstår den termiske kæde fra forbindelse til omgivelseslys, kan træffe layoutbeslutninger, der genvinder 10-20 °C margin fra en given køleplade. En designer, der behandler printkortet som et mekanisk monteringssubstrat og overlader termisk optimering til kølepladeleverandøren, giver denne margin unødvendigt tilbage. Denne vejledning dækker de designbeslutninger, der er vigtige.

Den termiske kæde: Hvor varmen går hen, og hvor den går i stå

Artikelnavigation

1. Den termiske kæde: Hvor varmen går hen, og hvor den går i stå
2. Kørsel af termisk simulering før layout
3. LED-padgeometri: Fodaftryksnøjagtighed og loddeforbindelsespålidelighed
4. Kobbersporbredde til LED-strenge med høj strømstyrke
5. Holdbarhedszoner og krybeafstand for integrerede LED-drivere
6. DFM-regler specifikke for aluminium LED PCB-layout
7. Checkliste til designoverdragelse til fremstilling af aluminiums-LED-printkort
8. Ofte stillede spørgsmål

Varme strømmer fra LED-forbindelsen → LED-pakke → loddeforbindelse → kobberpude → dielektrisk lag → aluminiumsbase → køleplade → omgivende temperatur. Hver grænseflade har en termisk modstandsværdi, og printkortet bidrager med tre: loddeforbindelsesmodstanden, kobber-til-dielektrisk grænseflade og selve det dielektriske lag.

Dielektrisk modstand er den dominerende termiske term for printplader:

• Ved 1.0 W/m·K, 100 µm dielektrikum: θ_dielektrikum ≈ 1.0°C/W pr. cm² pudeareal
• Ved 2.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielektrisk ≈ 0.5°C/W pr. cm²
• Ved 3.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielektrisk ≈ 0.33°C/W pr. cm²

For en 3W LED på en 3 × 3 mm pad er forskellen mellem 1.0 og 3.0 W/m·K dielektrikum cirka 5°C af overgangstemperaturen ved chipen. Skaler det hen over en 150W armatur med 50 LED'er, og effekten på systemniveau er betydelig.

Aluminiumsbasen tilføjer ubetydelig termisk modstand, hvis den er tilstrækkelig tyk (≥1.0 mm), og grænsefladen til kølepladen bruger passende TIM (termisk grænseflademateriale). Grænsefladen mellem base og køleplade er ofte den største termiske modstand i samlingen - men den er uden for printpladedesignerens direkte kontrol.

Kørsel af termisk simulering før layout

Termisk simulering før printkortlayout forhindrer to dyre fejl: at bygge et printkort, der ikke kan køle tilstrækkeligt ved nominel effekt, og at overspecificere dielektrikummet til unødvendige omkostninger.

FEA-indgange til simulering af aluminiums-LED-printkort:

• LED-pakkens termiske modstand (θ_j-s, fra databladet)
• LED-fremadrettet effekt ved driftsstrøm
• Dimensioner af pude og termisk slug
• Dielektrisk kvalitet og tykkelse (dette er den parameter, du finder ud af)
• Aluminiumsbasedimensioner og legering
• Køleplademodstand og TIM-værdi for monteringsgrænseflade
• Omgivelsestemperatur (worst-case: typisk 50-60 °C for lukkede armaturer)

Hvad simuleringsoutputtet fortæller dig:

• Maksimal LED-forbindelsestemperatur — sammenlign med T_j-klassificeringen (typisk 125-150 °C for moderne LED-pakker)
• Hotspots fra LED-klynger — hvis LED'er placeres for tæt på hinanden, øger termisk modstand fra tilstødende LED-varmekilder temperaturen i forbindelse med overgangen
• Nødvendig dielektrisk Tc for at holde sig inden for krydsningstemperaturbudgettet

Highleap Electronics tilbyder termisk simuleringssupport til MCPCB-kunder, der har brug for at validere deres stakspecifikation, før de går i produktion. Dette er især nyttigt, når valget mellem 2.0 og 3.0 W/m·K dielektrikum påvirker materialeomkostningerne betydeligt.

LED-padgeometri: Fodaftryksnøjagtighed og loddeforbindelsespålidelighed

Padgeometrien på aluminiums LED-printkort har strengere konsekvenser end på standard FR-4, fordi aluminiumsbasens termiske masse er høj, og reflow-temperaturstyringen er vanskeligere. Almindelige pad-designfejl:

Overdimensionerede termiske puder : En termisk slug-pude, der er større end LED-pakkens slug-fodaftryk, skaber et loddereservoir under reflow, der kan føre loddemetal fra signalpuder, hvilket forårsager utilstrækkelig samlingsdannelse ved signal-/anode-/katodepuder. Dimensionér termisk puden 0-0.1 mm pr. side større end pakkens termiske slug, ikke 0.3-0.5 mm som nogle gange specificeret for FR-4.

Loddemaskens åbningsforhold : For store termiske puder (>3 × 3 mm) skal du bruge en segmenteret loddemaskeåbning — flere mindre åbninger i stedet for én fuldt eksponeret pude — for at kontrollere pastaens volumen og forhindre hulrum. Sigt efter 50-70 % eksponering af kobberarealet for puder ≥ 9 mm².

Pude-koplanaritet : Aluminiumplader med variation i dielektrisk tykkelse vrider sig en smule under reflow. Pude-koplanaritet på ≤0.05 mm kan opnås med kontrolleret dielektrisk tykkelse. Hvis din pastatrykning er afhængig af tæt koplanaritet, skal du diskutere dette med fabrikken som en kontrolleret specifikation. Undersøg, hvordan loddemaskedesign på printkort påvirker samlingsudbyttet på metalkernesubstrater.

Kobbersporbredde til LED-strenge med høj strømstyrke

IPC-2152-standarden (tidligere IPC-2221) giver referencen for sporbredde vs. strømkapacitet. På aluminiums-LED-printkort skal du bruge de interne lagsporingstabeller i stedet for det eksterne lag - fordi sporet er på overfladen, men aluminiumsbasen absorberer varme nedefra, hvilket delvist replikerer det interne lags termiske adfærd.

Praktiske retningslinjer for sporbredde for 1 g kobber på aluminium LED-printkort, 10 °C stigning:

For strømstyrker over 5 A, skift til 2 oz eller 3 oz kobber. Den krævede sporbredde ved 1 oz for 10 A (5 mm) optager layoutområde, der er bedre udnyttet til yderligere LED'er i design med høj densitet. Udforsk designprincipper for PCB'er med tung kobber, når kobbervægten overstiger 2 oz.

Holdbarhedszoner og krybeafstand for integrerede LED-drivere

Mange LED-printkortdesign i aluminium integrerer LED-driverkredsløbet på samme printkort som LED-arrayet. Dette skaber et højspændingsområde (driverindgangsside: 100-350V AC eller DC) ved siden af ​​lavspændings-LED-strengen. Designregler:

Krybeafstand : IEC 60950-1 og IEC 62368-1 definerer krav til krybeafstand og afstand mellem højspændings- og lavspændingsledere. For forstærket isolering ved 250V AC arbejdsspænding er den mindste krybeafstand på et printkort 6.4 mm (forureningsgrad 2, materialegruppe IIIa). På aluminium LED-printkort, hvor aluminiumsbasen er på chassispotentiale, kræver afstanden fra enhver spændingsførende leder til den nærmeste printkortkant eller monteringshul også krybeafstandsanalyse.

Højspændingsafstand fra monteringshuller : Monteringshuller af aluminium forbinder basen med armaturets chassis. Enhver højspændingsledning skal holde krybeafstand/frigangsafstand fra disse huller, idet der tages højde for den ledende fastgørelsesdiameter.

Driver-IC'ers termiske puder : Nogle LED-driver-IC'er har eksponerede termiske puder med højt spændingspotentiale (ikke jord). Kontroller pudespændingen, før du definerer loddemaskeåbninger og kobberstøbninger i nærheden af ​​disse komponenter.

DFM-regler specifikke for aluminium LED PCB-layout

Design til fremstilling på aluminiumsunderlag adskiller sig fra FR-4 på flere områder:

Ingen vias i termiske puder : I modsætning til FR-4, hvor via-i-puden med kobberfyld nogle gange bruges, understøtter aluminiums LED-printkort ikke nedgravede eller blinde vias. Al routing skal udføres i et enkelt kobberlag. Kobberstøbninger og brede spor erstatter via-baseret varmespredning.

Minimum ringformet ring til aluminiumsboring : På grund af aluminiums slid på boreværktøjet er borevandringen lidt højere end på FR-4. Minimum ringformet ring til gennemgående huller på aluminium LED-printkort bør være 0.25 mm, ikke 0.15 mm, som det kan være acceptabelt på FR-4.

Komponenternes afstand fra V-scorelinjer : Standardafstanden fra V-score er 0.5 mm for komponenter på FR-4. På aluminium kan variationen i V-score-bladdybden være ±0.1 mm, og aluminiumsrillen skaber en lille overfladeforstyrrelse. Øg komponenternes afstand fra V-scorelinjer til 0.75 mm på aluminiums LED-printkort.

Kantbelægning ikke tilgængelig : Aluminium LED-printkort understøtter ikke kantbelægning. Enhver elektrisk tilslutning ved printkortets kant skal foretages via puder, der trækkes ≥0.5 mm tilbage fra kanten.

For en komplet DFM-gennemgang, før du indsender dit design til produktion, skal du bruge PCB DFM-tjeklisten som reference før indsendelse.

Checkliste til designoverdragelse til fremstilling af aluminiums-LED-printkort

Før du sender filer til producenten:

• Gerber-filer: kobberlag, loddemasketop, silketryktop, printkortkontur (DXF eller dedikeret Gerber-lag)
• Borefil: alle huller med diametre, betegnelse for belagt/ikke-belagt
• Stack-up specifikation: aluminiumskvalitet, tykkelse, dielektrisk Tc-kvalitet, kobbervægt, samlet pladetykkelse
• Overfladefinishspecifikation: ENIG guld/nikkeltykkelse eller HASL/OSP
• Krav til højspænding
• IPC-klasse (2 eller 3)
• Kontrollerede specifikationer: dielektrisk tykkelsestolerance, kobbertykkelsestolerance
• Loddemaskefarve og åbningsforhold på store termiske puder
• Detaljer om monteringshulsaffasning eller forsænkning, hvis det kræves

Highleap Electronics' ingeniørteam udfører en gratis DFM-gennemgang af indsendte filer inden tilbudsgivning, og identificerer eventuelle af ovenstående problemer, før de udvikler sig til produktionsfejl eller afviste printkort. Gennemgangen returneres inden for 1-2 arbejdsdage.

Ofte stillede spørgsmål

Hvilket simuleringsværktøj skal jeg bruge til termisk design af aluminiums-LED-printkort? ANSYS Icepak og Mentor FloTHERM er komplette FEA-værktøjer med materialebiblioteker til MCPCB-dielektrikum. For hurtigere resultater under det indledende design inkluderer LED-producenters simuleringsværktøjer (Lumileds SiteMap, OSRAM LED Expert) forenklede termiske modeller. Enhver simulering er bedre end ingen simulering - selv en regnearksmodel af termisk modstand mellem overgang og omgivende miljø fanger større designfejl før prototyping.

Hvordan håndterer jeg jord- og effektplaner på et enkeltlags aluminiums LED-printkort? Enkeltlagsprintkort har intet jordplan i den traditionelle FR-4 flerlagsforstand. Strøm og jord (eller strømretur) skal føres som separate spor. Kobberstøbninger på ubrugt område kan fungere som lokale strømreturbaner, men er ikke elektrisk forbundet med aluminiumsbasen. Aluminiumsbasen er enten chassisjord eller flydende, afhængigt af armaturdesignet - ikke automatisk en kredsløbsjord.

Hvilken polstringsfinish skal jeg specificere til COB LED-arrays på aluminiumskort? ENIG er det rigtige valg til COB (chip-on-board) LED PCB-samling . Den flade, reproducerbare overflade er afgørende for die-attach og wire bonding-processer, der anvendes i COB-produktion. HASL's overfladevariation er uforenelig med bindingshøjdetolerancerne i COB-samling.

Hvordan påvirker aluminiumsbasen SMT'ens reflowprofil? Aluminiumsbasen absorberer varme under opvarmning, hvilket kræver en langsommere opvarmningshastighed (maks. 2 °C/s) og potentielt højere peakzonetemperatur for at opnå tilstrækkelig padtemperatur. Basen bevarer også varmen efter at have forladt peakzonerne, hvilket forlænger tiden over liquidus. Anmod om en dedikeret reflowprofil fra din samlepartner, hvis du skifter fra FR-4 til aluminium LED-printkort.