Alumiini-LED-piirilevyjen suunnittelu ja DFM-opas

LED-liitoksen lämpötila on yksi muuttuja, joka määrittää valovirran heikkenemisnopeuden, värimuutoksen ja vikaantumisajan. Kaikki alumiinisten LED-piirilevyjen suunnittelussa joko vaikuttaa liitoksen lämpötilaan tai laskee sitä. Suunnittelija, joka ymmärtää lämpöketjun liitoksesta ympäristön lämpötilaan, voi tehdä asettelupäätöksiä, jotka palauttavat 10–20 °C:n marginaalin tietystä jäähdytysrivasta. Suunnittelija, joka käsittelee piirilevyä mekaanisena kiinnitysalustana ja jättää lämpöoptimoinnin jäähdytysrivan toimittajalle, palauttaa tämän marginaalin tarpeettomasti. Tämä opas käsittelee tärkeitä suunnittelupäätöksiä.

Lämpöketju: Minne lämpö menee ja missä se pysähtyy

Artikkelin navigointi

1. Lämpöketju: Minne lämpö menee ja missä se pysähtyy
2. Lämpösimulaation suorittaminen ennen asetteluun sitoutumista
3. LED-padin geometria: jalanjäljen tarkkuus ja juotosliitoksen luotettavuus
4. Kuparijohtimen leveys suurvirtaisille LED-jonoille
5. Integroitujen LED-ohjainten suojavyöhykkeet ja ryömintämatkat
6. Alumiini-LED-piirilevyjen asettelua koskevat DFM-säännöt
7. Suunnittelun luovutuksen tarkistuslista alumiinisten LED-piirilevyjen valmistukseen
8. FAQ

Lämpö kulkee LED-liitoksesta → LED-kotelosta → juotoskohdasta → kuparilevystä → dielektrisestä kerroksesta → alumiinipohjaan → jäähdytyselementtiin → ympäristöön. Jokaisella rajapinnalla on lämmönkestävyysarvo, ja piirilevyllä on kolme vaikutusta: juotoskohdan vastus, kuparin ja dielektrisen rajapinnan välinen rajapinta ja itse dielektrinen kerros.

Dielektrinen resistanssi on piirilevyjen hallitseva lämpötermi:

• 1.0 W/m·K, 100 µm:n dielektrisyys: θ_dielektrisyys ≈ 1.0 °C/W / cm² tyynyn pinta-alaa
• 2.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielektrisyys ≈ 0.5 °C/W per cm²
• 3.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielektrisyys ≈ 0.33 °C/W per cm²

3 W:n LEDillä 3 × 3 mm:n liitäntäpisteessä 1.0 ja 3.0 W/m·K:n dielektrisen kerroksen välinen ero on noin 5 °C piirin liitoslämpötilasta. Skaalaa tämä 150 W:n valaisimeen, jossa on 50 LEDiä, ja järjestelmätason vaikutus on merkittävä.

Alumiinipohjan lämmönkestävyys on merkityksetön, jos se on riittävän paksu (≥1.0 mm) ja jäähdytysrivan rajapinnassa käytetään sopivaa TIM-materiaalia (lämpöliitäntämateriaalia). Pohjan ja jäähdytysrivan välinen rajapinta on usein kokoonpanon suurin lämmönkestävyys, mutta se on piirilevyn suunnittelijan suoran hallinnan ulkopuolella.

Lämpösimulaation suorittaminen ennen asetteluun sitoutumista

Lämpösimulointi ennen piirilevyn asettelua estää kaksi kallista virhettä: piirilevyn rakentamisen, joka ei jäähdy riittävästi nimellisteholla, ja eristeen liian suuren määrittelyn, joka aiheuttaa tarpeettomia kustannuksia.

FEA-tulot alumiini-LED-piirilevyjen simulointiin:

• LED-kotelon lämmönkestävyys (θ_j-s, datalehdestä)
• LEDin eteenpäin suuntautuva teho käyttövirralla
• Padin ja lämpösuojan mitat
• Dielektrisyysluokka ja paksuus (tämä on ratkaisemasi parametri)
• Alumiinijalustan mitat ja seos
• Jäähdytyselementin resistanssi ja asennusliitännän TIM-arvo
• Ympäristön lämpötila (pahimmassa tapauksessa: tyypillisesti 50–60 °C suljetuille valaisimille)

Mitä simulaation tulos kertoo:

• LED-liitoksen enimmäislämpötila – vertaa sitä T_j-luokitukseen (yleensä 125–150 °C nykyaikaisille LED-koteloille)
• LEDien ryppäästä johtuvat kuumat kohdat – jos LEDit sijoitetaan liian lähelle toisiaan, viereisten LEDien lämmönlähteiden lämpövastus lisää liitoskohdan lämpötilaa
• Vaadittu dielektrinen Tc pysyäkseen liitoskohdan lämpötila-alueella

Highleap Electronics tarjoaa MCPCB-lämpösimulointitukea asiakkaille, joiden on validoitava pinospesifikaationsa ennen tuotantoon sitoutumista. Tämä on erityisen hyödyllistä silloin, kun valinta 2.0 ja 3.0 W/m·K dielektrisen ominaisuuden välillä vaikuttaa merkittävästi materiaalikustannuksiin.

LED-padin geometria: jalanjäljen tarkkuus ja juotosliitoksen luotettavuus

Alumiinisten LED-piirilevyjen liitäntätyynyjen geometrialla on tiukemmat seuraukset kuin tavallisella FR-4:llä, koska alumiinipohjan lämpömassa on korkea ja sulatuslämpötilan hallinta on vaikeampaa. Yleisiä liitäntätyynyjen suunnitteluvirheitä:

Ylisuuret lämpötyynyt : LED-kotelon lämpötyynyn jalanjälkeä suurempi lämpötyyny luo juotossulatuksen aikana juotossäiliön, joka voi imeä juotetta signaalityynyistä, mikä aiheuttaa riittämättömän liitoksen muodostumisen signaali-/anodi-/katodityynyihin. Lämpötyynyn koko on 0–0.1 mm sivua kohden suurempi kuin kotelon lämpötyynyn, ei 0.3–0.5 mm, kuten FR-4:lle joskus määritetään.

Juotosmaskin avautumissuhde : Suurille lämpötyynyille (>3 × 3 mm) käytä segmentoitua juotosmaskin aukkoa – useita pienempiä aukkoja yhden täysin paljaan tyynyn sijaan – pastan määrän hallitsemiseksi ja tyhjiön estämiseksi. Tavoitteena on 50–70 % kuparipinta-alasta paljaana ≥ 9 mm² tyynyille.

Juotosalustan koplanariteetti : Alumiinilevyt, joiden dielektrisen paksuuden vaihtelu vaihtelee, vääntyvät hieman uudelleensulatuksen aikana. Juotosalustan koplanariteetti ≤0.05 mm on saavutettavissa kontrolloidulla dielektrisellä paksuudella. Jos pastatulostuksesi perustuu tiukkaan koplanariteettiin, keskustele tästä tehtaan kanssa kontrolloituna spesifikaationa. Tutki, miten piirilevyjen juotosmaskin suunnittelu vaikuttaa kokoonpanon saantoon metallisydämillä.

Kuparijohtimen leveys suurvirtaisille LED-jonoille

IPC-2152-standardi (aiemmin IPC-2221) tarjoaa viitteen johtimen leveydelle suhteessa virtakapasiteettiin. Alumiinisissa LED-piirilevyissä on käytettävä sisäisen kerroksen johtimia ulkoisen kerroksen sijaan, koska johtimet ovat pinnalla, mutta alumiinipohja imee lämpöä alhaalta, mikä osittain jäljittelee sisäisen kerroksen lämpökäyttäytymistä.

Käytännön ohjeita 1 gramman kuparin johtimen leveydelle alumiinisilla LED-piirilevyillä, 10 °C:n nousu:

Yli 5 A:n virroilla siirry 2 unssiin tai 3 unssiin kuparijohtimiin. 10 A:n virralla vaadittava 1 unssin (5 mm) johdinleveys vie asettelutilaa, joka on parempi käyttää lisä-LEDeille tiheissä malleissa. Tutustu raskaiden kuparisten piirilevyjen suunnitteluperiaatteisiin , kun kuparin paino ylittää 2 unssia.

Integroitujen LED-ohjainten suojavyöhykkeet ja ryömintämatkat

Monissa alumiinisissa LED-piirilevyissä LED-ohjainpiirit on integroitu samalle levylle LED-ryhmän kanssa. Tämä luo korkeajännitealueen (ohjaintulopuoli: 100–350 V AC tai DC) matalajännitteisen LED-jonon viereen. Suunnittelusäännöt:

Pintamatka : Standardit IEC 60950-1 ja IEC 62368-1 määrittelevät pintamatka- ja ilmavälivaatimukset korkea- ja matalajännitejohtimien välille. Vahvistetulla eristyksellä 250 V AC:n käyttöjännitteellä piirilevyn vähimmäispintamatka on 6.4 mm (likaantumisaste 2, materiaaliryhmä IIIa). Alumiinisilla LED-piirilevyillä, joissa alumiinipohja on rungon potentiaalissa, etäisyys mistä tahansa jännitteisestä johtimesta lähimpään levyn reunaan tai kiinnitysreikään vaatii myös pintamatka-analyysin.

Korkeajännitteen suojaus kiinnitysrei'iltä : Alumiiniset kiinnitysreiät yhdistävät jalustan valaisimen runkoon. Kaikissa korkeajännitejohtimissa on oltava ryömintä-/välysetäisyys näistä rei'istä ottaen huomioon johtavan kiinnittimen halkaisija.

Ohjainpiirien lämpötyynyt : Joissakin LED-ohjainpiireissä on paljaita lämpötyynyjä korkeassa jännitepotentiaalissa (ei maassa). Tarkista tyynyjen jännite ennen juotosmaskin aukkojen ja kuparivalujen määrittämistä näiden komponenttien lähelle.

Alumiini-LED-piirilevyjen asettelua koskevat DFM-säännöt

Valmistettavuussuunnittelu alumiinialustoille eroaa FR-4:stä useilla osa-alueilla:

Ei reikiä lämpötyynyissä : Toisin kuin FR-4:ssä, jossa joskus käytetään kuparitäyttöisiä reikiä tyynyssä, alumiiniset LED-piirilevyt eivät tue haudattuja tai sokeita reikiä. Kaikki reititys on tehtävä yhdessä kuparikerroksessa. Kuparivalut ja leveät johtimet korvaavat reikien kautta tapahtuvan lämmön leviämisen.

Alumiinin porauksessa käytettävän rengasreiän vähimmäismatka : Alumiinin poraustyökalujen kulumisen vuoksi porausliike on hieman suurempi kuin FR-4:ssä. Alumiinisten LED-piirilevyjen galvanoitujen läpireikien rengasreiän vähimmäismatkan tulee olla 0.25 mm, ei 0.15 mm, kuten FR-4:ssä saattaa olla hyväksyttävää.

Komponentin etäisyys V-uraviivoista : FR-4-levyjen komponenttien vakioetäisyys V-uraviivoista on 0.5 mm. Alumiinilevyjen V-uraviivojen syvyys voi vaihdella ±0.1 mm, ja alumiinin uurre aiheuttaa pienen pinnan häiriön. Lisää komponentin etäisyys V-uraviivoista 0.75 mm:iin alumiinisilla LED-piirilevyillä.

Reunapinnoitusta ei saatavilla : Alumiiniset LED-piirilevyt eivät tue reunapinnoitusta. Kaikki levyn reunassa olevat sähköliitännät on tehtävä ≥0.5 mm reunasta taaksepäin vedettyjen liitäntäpisteiden kautta.

Jotta voit tehdä täydellisen DFM-tarkistuksen ennen suunnitelmasi lähettämistä tuotantoon, käytä piirilevyn DFM-tarkistuslistaa apunasi ennen lähettämistä.

Suunnittelun luovutuksen tarkistuslista alumiinisten LED-piirilevyjen valmistukseen

Ennen tiedostojen lähettämistä valmistajalle:

• Gerber-tiedostot: kuparikerros, juotosmaskin yläosa, silkkipainon yläosa, piirilevyn ääriviivat (DXF tai erillinen Gerber-kerros)
• Poratiedosto: kaikki reiät halkaisijoineen, pinnoitettu/pinnoittamaton -merkintä
• Pinoamismäärittely: alumiinilaatu, paksuus, dielektrinen Tc-laatu, kuparin paino, levyn kokonaispaksuus
• Pinnan viimeistelytiedot: ENIG-kulta/nikkelipaksuus tai HASL/OSP
• Ylijännitesuojan jännitevaatimus
• IPC-luokka (2 tai 3)
• Kontrolloidut tiedot: dielektrisen paksuuden toleranssi, kuparin paksuuden toleranssi
• Juotosmaskin väri ja avautumissuhde suurissa lämpötyynyissä
• Kiinnitysreiän viisteen tai upotuksen yksityiskohdat tarvittaessa

Highleap Electronicsin suunnittelutiimi suorittaa maksuttoman DFM-tarkastuksen lähetetyille tiedostoille ennen tarjouksen antamista ja tunnistaa kaikki yllä mainitut ongelmat ennen kuin niistä tulee tuotantovirheitä tai hylättyjä piirilevyjä. Tarkastus palautetaan 1–2 arkipäivän kuluessa.

FAQ

Mitä simulointityökalua minun pitäisi käyttää alumiinisten LED-piirilevyjen lämpösuunnitteluun? ANSYS Icepak ja Mentor FloTHERM ovat täydellisiä FEA-työkaluja, joissa on materiaalikirjastot MCPCB-eristeille. Nopeampien tulosten saavuttamiseksi alkusuunnittelussa LED-valmistajien simulointityökalut (Lumileds SiteMap, OSRAM LED Expert) sisältävät yksinkertaistettuja lämpömalleja. Mikä tahansa simulointi on parempi kuin ei simulointia ollenkaan – jopa taulukkolaskentamalli liitoksen ja ympäristön välisestä lämpöresistanssista havaitsee merkittävät suunnitteluvirheet ennen prototyyppien luomista.

Miten käsittelen maadoitus- ja virransyöttötasoja yksikerroksisella alumiinisella LED-piirilevyllä? Yksikerroksisilla levyillä ei ole maadoitustasoa perinteisessä FR-4-monikerrosmielessä. Virta ja maa (tai virranpaluu) on reititettävä erillisinä johtimina. Käyttämättömällä alueella olevat kuparivalut voivat toimia paikallisina virranpaluureitteinä, mutta niitä ei ole kytketty sähköisesti alumiinipohjaan. Alumiinipohja on joko runkomaadoitettu tai kelluva, valaisimen suunnittelusta riippuen – ei automaattisesti piirin maadoitus.

Minkä tyyppinen pinnoite minun tulisi valita alumiinilevyillä oleville COB-LED-ryhmille? ENIG on oikea valinta COB (chip-on-board) LED-piirilevyjen kokoonpanoon . Tasainen ja toistettava pinta on olennainen COB-tuotannossa käytettäville sirujen kiinnitys- ja johtojen liimausprosesseille. HASL:n pinnan vaihtelut eivät ole yhteensopivia COB-kokoonpanon liitoskorkeustoleranssien kanssa.

Miten alumiinipohja vaikuttaa SMT:n uudelleensulatusprofiiliin? Alumiinipohja imee lämpöä kiihdytyksen aikana, mikä vaatii hitaampaa kiihdytysnopeutta (enintään 2 °C/s) ja mahdollisesti korkeampaa huippuvyöhykkeen lämpötilaa riittävän pad-lämpötilan saavuttamiseksi. Pohja myös säilyttää lämpöä huippuvyöhykkeiltä poistumisen jälkeen, mikä pidentää aikaa likviduksen yläpuolella. Pyydä erillinen uudelleensulatusprofiili kokoonpanokumppaniltasi, jos vaihdat FR-4:stä alumiinisiin LED-piirilevyihin.