Aluminium-LED-Leiterplatten-Design- und DFM-Leitfaden

Die Sperrschichttemperatur einer LED ist der entscheidende Faktor für Lichtstromabfall, Farbverschiebung und Ausfallzeit. Jedes Detail im Design von Aluminium-LED-Leiterplatten beeinflusst die Sperrschichttemperatur. Entwickler, die die thermische Kette von der Sperrschicht bis zur Umgebung verstehen, können durch Layout-Entscheidungen 10–20 °C Spielraum bei der Kühlkörpertemperatur gewinnen. Wer die Leiterplatte lediglich als mechanisches Montagesubstrat betrachtet und die thermische Optimierung dem Kühlkörperhersteller überlässt, verschenkt diesen Spielraum unnötig. Dieser Leitfaden behandelt die wichtigsten Designentscheidungen.

Die Wärmekette: Wohin die Wärme fließt und wo sie stagniert

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1. Die Wärmekette: Wohin die Wärme fließt und wo sie stagniert
2. Thermische Simulation vor der Festlegung des Layouts durchführen
3. Geometrie der LED-Pads: Genauigkeit der Auflagefläche und Zuverlässigkeit der Lötstellen
4. Kupferleiterbahnbreite für Hochstrom-LED-Ketten
5. Sperrzonen und Kriechstrecken für integrierte LED-Treiber
6. DFM-Regeln speziell für das Layout von Aluminium-LED-Leiterplatten
7. Checkliste für die Designübergabe bei der Fertigung von Aluminium-LED-Leiterplatten
8. FAQ

Die Wärme fließt von der LED-Sperrschicht über das LED-Gehäuse, die Lötstelle, die Kupferkontaktfläche, die dielektrische Schicht, den Aluminiumsockel und den Kühlkörper in die Umgebung. Jede dieser Schnittstellen besitzt einen Wärmewiderstand, wobei die Leiterplatte drei dazu beiträgt: den Wärmewiderstand der Lötstelle, den der Kupfer-Dielektrikum-Grenzfläche und den der dielektrischen Schicht selbst.

Der dielektrische Widerstand ist der dominierende thermische Faktor auf der Leiterplatte:

• Bei 1.0 W/m·K und 100 µm Dielektrikum: θ_Dielektrikum ≈ 1.0 °C/W pro cm² Kontaktfläche
• Bei 2.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielectric ≈ 0.5°C/W pro cm²
• Bei 3.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielectric ≈ 0.33°C/W pro cm²

Bei einer 3-W-LED auf einem 3 × 3 mm großen Pad beträgt der Unterschied zwischen einer dielektrischen Dichte von 1.0 und 3.0 W/m·K etwa 5 °C Sperrschichttemperatur am Chip. Hochgerechnet auf eine 150-W-Leuchte mit 50 LEDs hat dies erhebliche Auswirkungen auf das System.

Die Aluminiumbasis trägt nur vernachlässigbar wenig zum Wärmewiderstand bei, sofern sie ausreichend dick ist (≥ 1.0 mm) und die Schnittstelle zum Kühlkörper mit geeignetem Wärmeleitmaterial (TIM) versehen ist. Die Schnittstelle zwischen Basis und Kühlkörper stellt oft den größten Wärmewiderstand in der Baugruppe dar – liegt aber außerhalb des direkten Einflussbereichs des Leiterplattenentwicklers.

Thermische Simulation vor der Festlegung des Layouts durchführen

Die thermische Simulation vor dem PCB-Layout verhindert zwei teure Fehler: den Bau einer Platine, die bei Nennleistung nicht ausreichend gekühlt werden kann, und die Überdimensionierung des Dielektrikums zu unnötigen Kosten.

FEA-Eingabewerte für die Simulation von Aluminium-LED-Leiterplatten:

• Wärmewiderstand des LED-Gehäuses (θ_j-s, aus dem Datenblatt)
• LED-Vorwärtsleistung bei Betriebsstrom
• Abmessungen von Pad und Wärmeleitpaste
• Dielektrische Güteklasse und Dicke (dies ist der Parameter, den Sie berechnen möchten)
• Abmessungen und Legierung der Aluminiumbasis
• Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers und Wärmeleitpastenwert der Montagefläche
• Umgebungstemperatur (ungünstigster Fall: typischerweise 50–60 °C für geschlossene Leuchten)

Was Ihnen die Simulationsausgabe sagt:

• Maximale LED-Sperrschichttemperatur – vergleichen Sie mit der Nenntemperatur T_j (typischerweise 125–150 °C für moderne LED-Gehäuse).
• Hotspots durch LED-Clustering – wenn LEDs zu nah beieinander platziert werden, erhöht der Wärmewiderstand benachbarter LED-Wärmequellen die Sperrschichttemperatur.
• Erforderliche dielektrische Tc, um innerhalb des Temperaturbereichs für den Sperrschichtübergang zu bleiben

Highleap Electronics bietet MCPCB-Wärmesimulationsunterstützung für Kunden, die ihre Schichtspezifikation vor Produktionsbeginn validieren müssen. Dies ist besonders hilfreich, wenn die Wahl zwischen einer Dielektrizitätskonstante von 2.0 oder 3.0 W/m·K die Materialkosten erheblich beeinflusst.

Geometrie der LED-Pads: Genauigkeit der Auflagefläche und Zuverlässigkeit der Lötstellen

Die Pad-Geometrie auf Aluminium-LED-Leiterplatten hat strengere Konsequenzen als auf Standard-FR-4-Leiterplatten, da die thermische Masse des Aluminiums hoch ist und die Reflow-Temperaturkontrolle schwieriger ist. Häufige Fehler im Pad-Design:

Zu große Wärmeleitpads : Ein Wärmeleitpad, das größer als die Grundfläche des LED-Gehäuses ist, bildet beim Reflow-Löten ein Lötmittelreservoir, das Lötmittel von den Signalpads aufsaugen und so zu unzureichenden Lötstellen an Signal-, Anoden- und Kathodenpads führen kann. Das Wärmeleitpad sollte 0–0.1 mm pro Seite größer als die Grundfläche des Gehäuses sein, nicht 0.3–0.5 mm, wie es manchmal für FR-4 angegeben wird.

Lötstopplack-Öffnungsverhältnis : Bei großen Wärmeleitpads (>3 × 3 mm) empfiehlt sich eine segmentierte Lötstopplack-Öffnung – mehrere kleinere Öffnungen anstelle eines vollständig freiliegenden Pads –, um die Pastenmenge zu kontrollieren und Lufteinschlüsse zu vermeiden. Für Pads ≥ 9 mm² sollte eine Kupferflächenfreilegung von 50–70 % angestrebt werden.

Pad-Koplanarität : Aluminiumplatinen mit variierender dielektrischer Dicke verziehen sich beim Reflow-Löten leicht. Eine Pad-Koplanarität von ≤ 0.05 mm ist bei kontrollierter dielektrischer Dicke erreichbar. Falls Ihre Pastenbedruckung eine hohe Koplanarität erfordert, besprechen Sie dies mit dem Hersteller als kontrollierte Spezifikation. Prüfen Sie, wie sich das Design der Lötstoppmaske auf Leiterplatten auf die Bestückungsausbeute bei Metallkernsubstraten auswirkt.

Kupferleiterbahnbreite für Hochstrom-LED-Ketten

Der IPC-2152-Standard (ehemals IPC-2221) definiert die Leiterbahnbreite in Abhängigkeit von der Strombelastbarkeit. Bei LED-Leiterplatten aus Aluminium verwenden Sie die Tabellen für die Leiterbahnen der inneren Lage anstelle der Tabellen für die äußere Lage. Die Leiterbahn befindet sich zwar an der Oberfläche, die Aluminiumbasis absorbiert jedoch Wärme von unten und bildet so das thermische Verhalten der inneren Lage teilweise nach.

Praktische Richtlinien für die Leiterbahnbreite bei 1 oz Kupfer auf Aluminium-LED-Leiterplatten, 10°C Temperaturanstieg:

Bei Strömen über 5 A empfiehlt sich die Verwendung von 2 oz oder 3 oz Kupfer. Die für 10 A benötigte Leiterbahnbreite von 5 mm bei 1 oz Kupfer beansprucht Layoutfläche, die in hochdichten Designs besser für zusätzliche LEDs genutzt werden könnte. Bei einem Kupfergewicht von über 2 oz sollten die Designprinzipien für Leiterplatten mit dickerem Kupfer geprüft werden.

Sperrzonen und Kriechstrecken für integrierte LED-Treiber

Viele LED-Leiterplatten aus Aluminium integrieren die LED-Treiberschaltung auf derselben Platine wie die LED-Anordnung. Dadurch entsteht ein Hochspannungsbereich (Treibereingangsseite: 100–350 V AC oder DC) neben der Niederspannungs-LED-Kette. Konstruktionsregeln:

Kriechstrecken : IEC 60950-1 und IEC 62368-1 definieren die Anforderungen an Kriechstrecken und Luftstrecken zwischen Hoch- und Niederspannungsleitern. Bei verstärkter Isolierung und einer Betriebsspannung von 250 V AC beträgt die minimale Kriechstrecke auf einer Leiterplatte 6.4 mm (Verschmutzungsgrad 2, Materialgruppe IIIa). Bei LED-Leiterplatten aus Aluminium, deren Aluminiumbasis auf dem Chassis-Potenzial liegt, muss zusätzlich der Abstand zwischen jedem stromführenden Leiter und der nächstgelegenen Leiterplattenkante oder Befestigungsbohrung mittels Kriechstreckenanalyse ermittelt werden.

Hochspannungsschutz von den Befestigungslöchern : Aluminium-Befestigungslöcher verbinden den Sockel mit dem Gehäuse der Leuchte. Alle Hochspannungsleitungen müssen einen Kriech- und Luftabstand zu diesen Löchern einhalten, wobei der Durchmesser der leitfähigen Befestigungselemente zu berücksichtigen ist.

Wärmeleitpads von Treiber-ICs : Einige LED-Treiber-ICs verfügen über freiliegende Wärmeleitpads mit Hochspannungspotenzial (nicht Masse). Überprüfen Sie die Pad-Spannung, bevor Sie Lötstopplacköffnungen und Kupferflächen in der Nähe dieser Bauteile definieren.

DFM-Regeln speziell für das Layout von Aluminium-LED-Leiterplatten

Die fertigungsgerechte Konstruktion auf Aluminiumsubstraten unterscheidet sich in mehreren Bereichen von FR-4:

Keine Durchkontaktierungen in den Wärmeleitpads : Im Gegensatz zu FR-4, wo mitunter Durchkontaktierungen mit Kupferfüllung verwendet werden, unterstützen Aluminium-LED-Leiterplatten keine vergrabenen oder verdeckten Durchkontaktierungen. Die gesamte Leiterbahnführung muss in der einzelnen Kupferlage erfolgen. Kupferflächen und breite Leiterbahnen ersetzen die Wärmeableitung mittels Durchkontaktierungen.

Mindestdurchmesser beim Bohren in Aluminium : Aufgrund des Abriebs der Bohrwerkzeuge auf Aluminium ist die Bohrlochabweichung etwas höher als bei FR-4. Der Mindestdurchmesser für durchkontaktierte Löcher auf Aluminium-LED-Leiterplatten sollte 0.25 mm betragen, nicht 0.15 mm, wie es bei FR-4 akzeptabel sein mag.

Bauteilabstand zu V-Nut-Linien : Der Standardabstand zu V-Nut-Linien beträgt 0.5 mm für Bauteile auf FR-4. Bei Aluminium kann die Tiefe der V-Nut-Klinge um ±0.1 mm variieren, und die Aluminiumnut erzeugt eine leichte Oberflächenstörung. Erhöhen Sie den Bauteilabstand zu V-Nut-Linien bei LED-Leiterplatten aus Aluminium auf 0.75 mm.

Randplattierung nicht möglich : Aluminium-LED-Leiterplatten unterstützen keine Randplatinierung. Jegliche elektrische Verbindung am Platinenrand muss über Lötpads erfolgen, die mindestens 0.5 mm vom Rand zurückgesetzt sind.

Für eine vollständige DFM-Prüfung vor der Einreichung Ihres Designs zur Produktion verwenden Sie die PCB-DFM-Checkliste als Referenz vor der Einreichung.

Checkliste für die Designübergabe bei der Fertigung von Aluminium-LED-Leiterplatten

Bevor Sie die Dateien an den Hersteller senden:

• Gerber-Dateien: Kupferschicht, Lötstopplack-Oberseite, Siebdruck-Oberseite, Platinenumriss (DXF oder dedizierte Gerber-Schicht)
• Bohrdatei: alle Löcher mit Durchmessern, Kennzeichnung beschichtet/unbeschichtet
• Spezifikation des Schichtaufbaus: Aluminiumgüte, Dicke, dielektrische Tc-Güte, Kupfergewicht, Gesamtdicke der Leiterplatte
• Oberflächenbeschaffenheit: ENIG-Gold-/Nickeldicke oder HASL/OSP
• Hochspannungsanforderung
• IPC-Klasse (2 oder 3)
• Kontrollierte Spezifikationen: Toleranz der Dielektrikumdicke, Toleranz der Kupferdicke
• Lötstopplackfarbe und Öffnungsverhältnis großer Wärmeleitpads
• Details zur Montagebohrung (Fase oder Senkung) falls erforderlich

Das Entwicklungsteam von Highleap Electronics führt vor der Angebotserstellung eine kostenlose DFM-Prüfung der eingereichten Dateien durch und identifiziert dabei alle oben genannten Probleme, bevor diese zu Produktionsfehlern oder Ausschuss führen. Die Prüfungsergebnisse erhalten Sie innerhalb von 1–2 Werktagen.

FAQ

Welches Simulationstool eignet sich für die thermische Auslegung von Aluminium-LED-Leiterplatten? ANSYS Icepak und Mentor FloTHERM sind umfassende FEA-Tools mit Materialbibliotheken für MCPCB-Dielektrika. Für schnellere Ergebnisse in der Entwurfsphase bieten LED-Hersteller (z. B. Lumileds SiteMap, OSRAM LED Expert) vereinfachte thermische Modelle an. Jede Simulation ist besser als gar keine – selbst ein Tabellenkalkulationsmodell des Wärmewiderstands zwischen Sperrschicht und Umgebung deckt gravierende Konstruktionsfehler vor der Prototypenfertigung auf.

Wie realisiere ich Masse- und Stromversorgungsflächen auf einer einlagigen Aluminium-LED-Leiterplatte? Einlagige Leiterplatten besitzen keine Massefläche im herkömmlichen Sinne von FR-4-Mehrlagen. Stromversorgung und Masse (bzw. Stromrückführung) müssen als separate Leiterbahnen geführt werden. Kupferflächen auf ungenutztem Bereich können als lokale Stromrückführungspfade dienen, sind aber nicht elektrisch mit dem Aluminiumsockel verbunden. Der Aluminiumsockel ist je nach Leuchtendesign entweder Gehäusemasse oder potentialfrei – er ist nicht automatisch eine Schaltungsmasse.

Welche Oberflächenbeschaffenheit ist für COB-LED-Arrays auf Aluminiumplatinen geeignet? ENIG ist die richtige Wahl für die Bestückung von COB-LED-Leiterplatten (Chip-on-Board) . Die ebene, reproduzierbare Oberfläche ist unerlässlich für die Chipmontage und das Drahtbonden in der COB-Produktion. Die Oberflächenabweichungen von HASL sind mit den Toleranzen der Bondhöhe bei der COB-Bestückung nicht kompatibel.

Wie beeinflusst die Aluminiumbasis das SMT-Reflow-Profil? Die Aluminiumbasis absorbiert während der Aufheizphase Wärme, wodurch eine langsamere Aufheizrate (maximal 2 °C/s) und potenziell höhere Spitzentemperaturen erforderlich sind, um eine ausreichende Pad-Temperatur zu erreichen. Die Basis speichert auch nach Verlassen der Spitzentemperaturen Wärme, was die Zeit oberhalb der Liquidustemperatur verlängert. Fordern Sie bei der Umstellung von FR-4- auf Aluminium-LED-Leiterplatten ein spezielles Reflow-Profil von Ihrem Bestückungspartner an.