Guía de diseño y DFM para PCB de LED de aluminio

La temperatura de la unión del LED es la única variable que determina la tasa de depreciación lumínica, el cambio de color y el tiempo hasta el fallo. En el diseño de placas de circuito impreso (PCB) de aluminio para LED, todo influye en la temperatura de la unión. Un diseñador que comprende la cadena térmica desde la unión hasta el ambiente puede tomar decisiones de diseño que permiten recuperar un margen de 10 a 20 °C con un disipador de calor determinado. Un diseñador que trata la PCB como un sustrato de montaje mecánico y deja la optimización térmica en manos del fabricante del disipador de calor, desperdicia ese margen innecesariamente. Esta guía abarca las decisiones de diseño más importantes.

La cadena térmica: adónde va el calor y dónde se estanca

Navegación de artículos

1. La cadena térmica: adónde va el calor y dónde se estanca
2. Realizar una simulación térmica antes de definir el diseño.
3. Geometría de los paneles LED: precisión de la huella y fiabilidad de las uniones de soldadura.
4. Ancho de pista de cobre para cadenas de LED de alta corriente
5. Zonas de exclusión y distancia de fuga para controladores LED integrados
6. Reglas DFM específicas para el diseño de PCB de LED de aluminio
7. Lista de verificación para la entrega del diseño de la fabricación de placas de circuito impreso LED de aluminio.
8. Preguntas Frecuentes

El calor fluye desde la unión del LED → encapsulado del LED → junta de soldadura → almohadilla de cobre → capa dieléctrica → base de aluminio → disipador de calor → ambiente. Cada interfaz tiene un valor de resistencia térmica, y la PCB aporta tres: la resistencia de la junta de soldadura, la interfaz cobre-dieléctrico y la propia capa dieléctrica.

La resistencia dieléctrica es el término térmico dominante en las placas de circuito impreso:

• A 1.0 W/m·K, dieléctrico de 100 µm: θ_dieléctrico ≈ 1.0 °C/W por cm² de área de la almohadilla
• A 2.0 W/m·K, 100 µm: θ_dieléctrico ≈ 0.5 °C/W por cm²
• A 3.0 W/m·K, 100 µm: θ_dieléctrico ≈ 0.33 °C/W por cm²

Para un LED de 3 W en una almohadilla de 3 × 3 mm, la diferencia entre una constante dieléctrica de 1.0 y 3.0 W/m·K es de aproximadamente 5 °C de temperatura de unión en el chip. Si extrapolamos esto a una luminaria de 150 W con 50 LED, el impacto a nivel de sistema es significativo.

La base de aluminio añade una resistencia térmica insignificante si tiene un grosor adecuado (≥1.0 mm) y la interfaz con el disipador utiliza un material de interfaz térmica (TIM) apropiado. La interfaz entre la base y el disipador suele ser la que presenta mayor resistencia térmica en el conjunto, pero escapa al control directo del diseñador de la placa de circuito impreso.

Realizar una simulación térmica antes de definir el diseño.

La simulación térmica previa al diseño de la placa de circuito impreso evita dos errores costosos: construir una placa que no pueda refrigerarse adecuadamente a la potencia nominal y sobredimensionar el dieléctrico con un coste innecesario.

Parámetros de entrada de FEA para la simulación de PCB de LED de aluminio:

• Resistencia térmica del encapsulado LED (θ_j-s, según la hoja de datos)
• Potencia directa del LED en corriente de funcionamiento
• Dimensiones de la almohadilla y del bloque térmico
• Grado y espesor dieléctrico (este es el parámetro que se está calculando).
• Dimensiones de la base de aluminio y aleación
• Resistencia del disipador de calor y valor de la interfaz de montaje de la interfaz de transferencia de calor (TIM).
• Temperatura ambiente (en el peor de los casos: normalmente entre 50 y 60 °C para luminarias cerradas).

Lo que muestra el resultado de la simulación:

• Temperatura máxima de la unión del LED: compárese con la temperatura nominal T_j (normalmente entre 125 y 150 °C para los encapsulados LED modernos).
• Puntos calientes por agrupamiento de LED: si los LED se colocan demasiado cerca, la resistencia térmica de las fuentes de calor de los LED vecinos aumenta la temperatura de la unión.
• Se requiere una temperatura dieléctrica Tc para mantenerse dentro del presupuesto de temperatura de la unión.

Highleap Electronics ofrece soporte para la simulación térmica de placas de circuito impreso con núcleo metálico (MCPCB) a los clientes que necesitan validar las especificaciones de su pila antes de iniciar la producción. Esto resulta especialmente útil cuando la elección entre un coeficiente dieléctrico de 2.0 y 3.0 W/m·K influye significativamente en el coste del material.

Geometría de los paneles LED: precisión de la huella y fiabilidad de las uniones de soldadura.

La geometría de las almohadillas en las placas de circuito impreso LED de aluminio tiene consecuencias más estrictas que en las placas FR-4 estándar, debido a la alta masa térmica de la base de aluminio y a la dificultad para controlar la temperatura de reflujo. Errores comunes en el diseño de almohadillas:

Almohadillas térmicas sobredimensionadas : Una almohadilla térmica de mayor tamaño que la huella térmica del encapsulado LED crea un depósito de soldadura durante el proceso de reflujo que puede absorber la soldadura de las almohadillas de señal, provocando una formación de unión insuficiente en las almohadillas de señal, ánodo y cátodo. La almohadilla térmica debe ser entre 0 y 0.1 mm mayor por lado que la almohadilla térmica del encapsulado, no entre 0.3 y 0.5 mm como se especifica a veces para FR-4.

Relación de apertura de la máscara de soldadura : Para almohadillas térmicas grandes (>3 × 3 mm), utilice una máscara de soldadura segmentada (varias aberturas más pequeñas en lugar de una almohadilla totalmente expuesta) para controlar el volumen de pasta y evitar la formación de huecos. El objetivo es lograr una exposición del área de cobre del 50 al 70 % para almohadillas de ≥ 9 mm².

Coplanaridad de las almohadillas : Las placas de aluminio con variación en el espesor del dieléctrico se deforman ligeramente durante el proceso de reflujo. Se puede lograr una coplanaridad de las almohadillas de ≤0.05 mm con un espesor de dieléctrico controlado. Si la impresión de la pasta requiere una coplanaridad precisa, consúltelo con la fábrica como una especificación controlada. Analice cómo el diseño de la máscara de soldadura en las PCB afecta el rendimiento del ensamblaje en sustratos con núcleo metálico.

Ancho de pista de cobre para cadenas de LED de alta corriente

La norma IPC-2152 (anteriormente IPC-2221) proporciona la referencia para el ancho de pista en función de la capacidad de corriente. En las placas de circuito impreso LED de aluminio, utilice las tablas de trazas de la capa interna en lugar de las de la capa externa, ya que la pista se encuentra en la superficie, pero la base de aluminio absorbe el calor desde abajo, replicando parcialmente el comportamiento térmico de la capa interna.

Pautas prácticas para el ancho de pista de 1 oz de cobre sobre PCB de aluminio para LED, aumento de 10 °C:

Para corrientes superiores a 5 A, utilice cobre de 2 o 3 onzas. El ancho de pista requerido con 1 onza para 10 A (5 mm) consume un área de diseño que se puede aprovechar mejor para LED adicionales en diseños de alta densidad. Explore los principios de diseño de PCB con cobre grueso cuando el peso del cobre supere las 2 onzas.

Zonas de exclusión y distancia de fuga para controladores LED integrados

Muchos diseños de PCB de aluminio para LED integran el circuito del controlador de LED en la misma placa que la matriz de LED. Esto crea una región de alto voltaje (lado de entrada del controlador: 100–350 V CA o CC) adyacente a la cadena de LED de bajo voltaje. Reglas de diseño:

Distancia de fuga : Las normas IEC 60950-1 e IEC 62368-1 definen los requisitos de distancia de fuga y aislamiento entre conductores de alta y baja tensión. Para aislamiento reforzado a una tensión de trabajo de 250 V CA, la distancia de fuga mínima en una PCB es de 6.4 mm (Grado de contaminación 2, Grupo de materiales IIIa). En las PCB de aluminio para LED, donde la base de aluminio está a potencial de chasis, la distancia desde cualquier conductor activo hasta el borde de la placa o el orificio de montaje más cercano también requiere un análisis de fuga.

Distancia de seguridad para cables de alta tensión en los orificios de montaje : Los orificios de montaje de aluminio conectan la base al chasis del dispositivo. Cualquier traza de alta tensión debe mantener una distancia de fuga/aislamiento respecto a estos orificios, teniendo en cuenta el diámetro del elemento de fijación conductor.

Almohadillas térmicas de los circuitos integrados controladores : Algunos circuitos integrados controladores de LED tienen almohadillas térmicas expuestas a un potencial de alto voltaje (no a tierra). Verifique el voltaje de las almohadillas antes de definir las aberturas de la máscara de soldadura y los puntos de inyección de cobre cerca de estos componentes.

Reglas DFM específicas para el diseño de PCB de LED de aluminio

El diseño para la fabricación en sustratos de aluminio difiere del FR-4 en varios aspectos:

Sin vías en las almohadillas térmicas : A diferencia del FR-4, donde a veces se utilizan vías en la almohadilla con relleno de cobre, las placas de circuito impreso LED de aluminio no admiten vías enterradas ni ciegas. Todo el enrutamiento debe realizarse en la única capa de cobre. Los rellenos de cobre y las pistas anchas sustituyen la disipación de calor basada en vías.

Diámetro mínimo del anillo para perforación en aluminio : Debido a la abrasión del aluminio sobre las herramientas de perforación, la desviación de la broca es ligeramente mayor que en FR-4. El diámetro mínimo del anillo para orificios metalizados en placas de circuito impreso LED de aluminio debe ser de 0.25 mm, no de 0.15 mm como podría ser aceptable en FR-4.

Espacio libre de componentes respecto a las líneas de corte en V : El espacio libre estándar respecto a las líneas de corte en V es de 0.5 mm para componentes en FR-4. En aluminio, la variación de la profundidad de la línea de corte en V puede ser de ±0.1 mm, y el corte en aluminio crea una ligera alteración en la superficie. Aumente el espacio libre de componentes respecto a las líneas de corte en V a 0.75 mm en placas de circuito impreso LED de aluminio.

No se admite el revestimiento de bordes : Las placas de circuito impreso LED de aluminio no admiten revestimiento de bordes. Cualquier conexión eléctrica en el borde de la placa debe realizarse mediante almohadillas separadas del borde al menos 0.5 mm.

Para realizar una revisión completa de DFM antes de enviar su diseño para producción, utilice la lista de verificación de DFM de PCB como referencia previa al envío.

Lista de verificación para la entrega del diseño de la fabricación de placas de circuito impreso LED de aluminio.

Antes de enviar los archivos al fabricante:

• Archivos Gerber: capa de cobre, máscara de soldadura superior, serigrafía superior, contorno de la placa (DXF o capa Gerber específica).
• Archivo de perforación: todos los orificios con diámetros, designación chapada/no chapada
• Especificaciones de la estructura: grado de aluminio, espesor, grado dieléctrico Tc, peso del cobre, espesor total de la placa
• Especificación de acabado superficial: espesor de oro/níquel ENIG o HASL/OSP.
• Requisito de voltaje de alta tensión
• Clase IPC (2 o 3)
• Especificaciones controladas: tolerancia del espesor dieléctrico, tolerancia del espesor del cobre
• Color de la máscara de soldadura y relación de apertura en almohadillas térmicas grandes.
• Detalles del chaflán o avellanado del orificio de montaje, si fuera necesario.

El equipo de ingeniería de Highleap Electronics realiza una revisión DFM gratuita de los archivos enviados antes de cotizar, identificando cualquiera de los problemas mencionados anteriormente antes de que se conviertan en defectos de producción o placas rechazadas. La revisión se entrega en un plazo de 1 a 2 días hábiles.

Preguntas Frecuentes

¿Qué herramienta de simulación debo usar para el diseño térmico de PCB de aluminio para LED? ANSYS Icepak y Mentor FloTHERM son herramientas completas de análisis de elementos finitos (FEA) con bibliotecas de materiales para dieléctricos de MCPCB. Para obtener resultados más rápidos durante el diseño inicial, las herramientas de simulación de los fabricantes de LED (Lumileds SiteMap, OSRAM LED Expert) incluyen modelos térmicos simplificados. Cualquier simulación es mejor que ninguna; incluso un modelo de hoja de cálculo de la resistencia térmica entre la unión y el ambiente permite detectar errores de diseño importantes antes de la creación de prototipos.

¿Cómo se gestionan los planos de tierra y alimentación en una placa de circuito impreso LED de aluminio de una sola capa? Las placas de una sola capa no tienen plano de tierra como las placas multicapa FR-4 tradicionales. La alimentación y la tierra (o el retorno de corriente) deben enrutarse como pistas separadas. Las zonas de cobre sin usar pueden servir como rutas de retorno de corriente locales, pero no están conectadas eléctricamente a la base de aluminio. La base de aluminio es tierra del chasis o flotante, según el diseño de la luminaria; no es automáticamente una tierra de circuito.

¿Qué acabado de almohadilla debo especificar para matrices de LED COB en placas de aluminio? ENIG es la opción correcta para el ensamblaje de PCB de LED COB (chip-on-board) . La superficie plana y reproducible es esencial para los procesos de fijación de chips y unión de cables utilizados en la producción de COB. La variación superficial de HASL es incompatible con las tolerancias de altura de unión en el ensamblaje de COB.

¿Cómo afecta la base de aluminio al perfil de reflujo SMT? La base de aluminio absorbe calor durante el calentamiento, lo que requiere una velocidad de calentamiento más lenta (máximo 2 °C/s) y, potencialmente, una temperatura máxima en la zona de pico más alta para lograr una temperatura adecuada en la almohadilla. La base también retiene calor después de salir de las zonas de pico, lo que prolonga el tiempo por encima del punto de fusión. Solicite un perfil de reflujo específico a su socio de ensamblaje si va a cambiar de placas de circuito impreso LED FR-4 a aluminio.