Guide de conception et de fabrication des circuits imprimés pour LED en aluminium

La température de jonction des LED est le seul facteur déterminant la baisse de luminosité, le décalage de couleur et la durée de vie. Dans la conception des circuits imprimés en aluminium pour LED, chaque élément influe sur la température de jonction. Un concepteur maîtrisant la chaîne thermique entre la jonction et l'environnement peut optimiser l'agencement et ainsi gagner 10 à 20 °C de marge par rapport à un dissipateur thermique donné. À l'inverse, un concepteur qui considère le circuit imprimé comme un simple support de montage et laisse l'optimisation thermique au fabricant du dissipateur perd inutilement cette marge. Ce guide aborde les choix de conception essentiels.

La chaîne thermique : où la chaleur circule et où elle stagne

Navigation dans les articles

1. La chaîne thermique : où la chaleur circule et où elle stagne
2. Exécuter une simulation thermique avant de valider la disposition
3. Géométrie des pastilles LED : précision de l’empreinte et fiabilité des joints de soudure
4. Largeur des pistes en cuivre pour les guirlandes LED à courant élevé
5. Zones d'exclusion et distance de fuite pour les pilotes de LED intégrés
6. Règles DFM spécifiques à la conception de circuits imprimés pour LED en aluminium
7. Liste de contrôle pour le transfert de conception des circuits imprimés LED en aluminium
8. QFP

La chaleur se propage de la jonction de la LED vers le boîtier de la LED, puis vers la soudure, la pastille de cuivre, la couche diélectrique, le substrat en aluminium, le dissipateur thermique et enfin l'environnement extérieur. Chaque interface présente une résistance thermique, et le circuit imprimé y contribue à trois reprises : par la résistance de la soudure, par l'interface cuivre-diélectrique et par la couche diélectrique elle-même.

La résistance diélectrique est le terme thermique dominant des circuits imprimés :

• À 1.0 W/m·K, pour une épaisseur de diélectrique de 100 µm : θ_diélectrique ≈ 1.0 °C/W par cm² de surface de plot
• À 2.0 W/m·K, 100 µm : θ_diélectrique ≈ 0.5 °C/W par cm²
• À 3.0 W/m·K, 100 µm : θ_diélectrique ≈ 0.33 °C/W par cm²

Pour une LED de 3 W sur une pastille de 3 × 3 mm, la différence de conductivité thermique entre un diélectrique de 1.0 et 3.0 W/m·K correspond à une température de jonction d'environ 5 °C au niveau de la puce. À l'échelle d'un luminaire de 150 W équipé de 50 LED, l'impact est significatif.

La base en aluminium n'ajoute qu'une résistance thermique négligeable si son épaisseur est suffisante (≥ 1.0 mm) et si l'interface avec le dissipateur thermique utilise un matériau d'interface thermique (TIM) approprié. L'interface base-dissipateur thermique représente souvent la plus grande résistance thermique de l'assemblage, mais elle échappe au contrôle direct du concepteur du circuit imprimé.

Exécuter une simulation thermique avant de valider la disposition

La simulation thermique avant la conception du circuit imprimé permet d'éviter deux erreurs coûteuses : la fabrication d'une carte incapable de refroidir correctement à la puissance nominale et le surdimensionnement du diélectrique à un coût inutile.

Données d'entrée FEA pour la simulation de circuits imprimés LED en aluminium :

• résistance thermique du boîtier LED (θ_j-s, d'après la fiche technique)
• Puissance directe de la LED au courant de fonctionnement
• Dimensions du coussinet et du limaille thermique
• Qualité et épaisseur du diélectrique (c'est le paramètre que vous cherchez à déterminer)
• Dimensions et alliage de la base en aluminium
• Valeur de la résistance du dissipateur thermique et de l'interface de montage du TIM
• Température ambiante (cas le plus défavorable : généralement 50 à 60 °C pour les luminaires fermés)

Que vous indiquent les résultats de la simulation :

• Température maximale de jonction des LED — à comparer avec la valeur T_j (généralement 125–150 °C pour les boîtiers LED modernes)
• Points chauds dus au regroupement des LED — si les LED sont placées trop près les unes des autres, la résistance thermique des sources de chaleur voisines contribue à l'augmentation de la température de jonction.
• La température de Curie (Tc) du diélectrique doit rester dans les limites de la plage de température de jonction.

Highleap Electronics propose une assistance en simulation thermique pour les circuits imprimés à matrice métallique (MCPCB) aux clients qui doivent valider les spécifications de leur empilement avant de lancer la production. Cette assistance est particulièrement utile lorsque le choix entre un diélectrique de 2.0 et 3.0 W/m·K a un impact significatif sur le coût des matériaux.

Géométrie des pastilles LED : précision de l’empreinte et fiabilité des joints de soudure

La géométrie des pastilles sur les circuits imprimés LED en aluminium a des conséquences plus importantes que sur les circuits imprimés FR-4 standard, car la masse thermique de la base en aluminium est élevée et le contrôle de la température de refusion est plus difficile. Erreurs courantes de conception des pastilles :

Pads thermiques surdimensionnés : Un pad thermique plus grand que l’empreinte du plot thermique du boîtier LED crée un réservoir de soudure lors de la refusion, ce qui peut entraîner une capillarité de la soudure au niveau des plots de signal, provoquant une formation de joint insuffisante au niveau des plots de signal/anode/cathode. Dimensionnez le pad thermique de 0 à 0.1 mm de plus de chaque côté que l’empreinte thermique du boîtier, et non de 0.3 à 0.5 mm comme parfois spécifié pour le FR-4.

Rapport d'ouverture du vernis épargne : Pour les grandes pastilles thermiques (> 3 × 3 mm), utilisez un vernis épargne segmenté (plusieurs petites ouvertures plutôt qu'une seule pastille entièrement exposée) afin de contrôler le volume de pâte et d'éviter la formation de vides. Visez une exposition de la surface de cuivre de 50 à 70 % pour les pastilles ≥ 9 mm².

Coplanarité des pastilles : Les cartes en aluminium présentant des variations d’épaisseur de diélectrique se déforment légèrement lors du refusion. Une coplanarité des pastilles ≤ 0.05 mm est possible avec une épaisseur de diélectrique maîtrisée. Si l’impression de votre pâte à braser nécessite une coplanarité stricte, discutez-en avec le fabricant afin d’obtenir une spécification précise. Analysez l’ impact de la conception du masque de soudure sur le rendement d’assemblage des substrats à noyau métallique.

Largeur des pistes en cuivre pour les guirlandes LED à courant élevé

La norme IPC-2152 (anciennement IPC-2221) définit la largeur des pistes en fonction de leur capacité de courant. Sur les circuits imprimés LED en aluminium, il est préférable d'utiliser les tableaux de pistes de la couche interne plutôt que ceux de la couche externe : la piste étant en surface, le substrat en aluminium absorbe la chaleur par le dessous, reproduisant ainsi partiellement le comportement thermique de la couche interne.

Directives pratiques concernant la largeur des pistes pour les circuits imprimés LED en cuivre de 1 oz sur aluminium, avec une élévation de température de 10 °C :

Pour les courants supérieurs à 5 A, utilisez du cuivre de 2 ou 3 oz. La largeur de piste requise avec 1 oz pour 10 A (5 mm) occupe de l'espace qui pourrait être mieux utilisé pour ajouter des LED dans les conceptions haute densité. Explorez les principes de conception des circuits imprimés à cuivre épais lorsque le poids du cuivre dépasse 2 oz.

Zones d'exclusion et distance de fuite pour les pilotes de LED intégrés

De nombreuses conceptions de circuits imprimés en aluminium pour LED intègrent le circuit de commande des LED sur la même carte que la matrice de LED. Ceci crée une zone haute tension (entrée du circuit de commande : 100–350 V CA ou CC) adjacente à la chaîne de LED basse tension. Règles de conception :

Distance de fuite : Les normes IEC 60950-1 et IEC 62368-1 définissent les exigences de fuite et d’isolement entre les conducteurs haute et basse tension. Pour une isolation renforcée sous une tension de service de 250 V CA, la distance de fuite minimale sur un circuit imprimé est de 6.4 mm (degré de pollution 2, groupe de matériaux IIIa). Sur les circuits imprimés de LED en aluminium, lorsque le socle en aluminium est au potentiel du châssis, la distance entre tout conducteur sous tension et le bord du circuit imprimé ou le trou de fixation le plus proche doit également faire l’objet d’une analyse de fuite.

Éloignement des conducteurs haute tension des trous de fixation : Les trous de fixation en aluminium relient la base au châssis du luminaire. Toute piste haute tension doit respecter une distance de fuite/d'isolement par rapport à ces trous, en tenant compte du diamètre de la fixation conductrice.

Pastilles thermiques des circuits intégrés de commande : Certains circuits intégrés de commande de LED possèdent des pastilles thermiques exposées à un potentiel élevé (et non à la masse). Vérifiez la tension des pastilles avant de définir les ouvertures du masque de soudure et les zones de cuivre à proximité de ces composants.

Règles DFM spécifiques à la conception de circuits imprimés pour LED en aluminium

La conception pour la fabrication sur substrats en aluminium diffère de celle du FR-4 dans plusieurs domaines :

Absence de vias dans les pastilles thermiques : contrairement au FR-4 où l’on utilise parfois des vias dans les pastilles avec remplissage en cuivre, les circuits imprimés LED en aluminium ne prennent pas en charge les vias enterrés ou borgnes. Tout le routage doit être réalisé dans la couche de cuivre unique. Les zones de cuivre et les pistes larges remplacent la dissipation thermique par vias.

Diamètre annulaire minimal pour le perçage de l'aluminium : En raison de l'abrasion de l'outil de perçage sur l'aluminium, la déviation du foret est légèrement supérieure à celle observée sur le FR-4. Le diamètre annulaire minimal pour les trous métallisés sur les circuits imprimés LED en aluminium doit être de 0.25 mm, et non de 0.15 mm comme cela pourrait être acceptable sur le FR-4.

Distance d'exclusion des composants par rapport aux rainures en V : La distance d'exclusion standard par rapport aux rainures en V est de 0.5 mm pour les composants sur FR-4. Sur aluminium, la profondeur de rainure peut varier de ±0.1 mm, et la rainure crée une légère irrégularité de surface. Augmentez cette distance à 0.75 mm sur les circuits imprimés LED en aluminium.

Le placage de bord n'est pas disponible : les circuits imprimés LED en aluminium ne prennent pas en charge le placage de bord. Toute connexion électrique en bordure de circuit imprimé doit être réalisée via des pastilles situées à au moins 0.5 mm du bord.

Pour une analyse DFM complète avant de soumettre votre conception à la production, utilisez la liste de contrôle DFM des circuits imprimés comme référence avant soumission.

Liste de contrôle pour le transfert de conception des circuits imprimés LED en aluminium

Avant d'envoyer les fichiers au fabricant :

• Fichiers Gerber : couche de cuivre, masque de soudure, sérigraphie, contour du circuit imprimé (DXF ou couche Gerber dédiée)
• Fichier de perçage : tous les trous avec leurs diamètres, indication plaquée/non plaquée
• Spécifications de l'empilement : qualité de l'aluminium, épaisseur, température de Curie du diélectrique, masse de cuivre, épaisseur totale de la carte
• Spécifications de finition de surface : ENIG or/nickel (épaisseur) ou HASL/OSP
• Exigence de tension haute tension
• Classe IPC (2 ou 3)
• Spécifications contrôlées : tolérance d’épaisseur du diélectrique, tolérance d’épaisseur du cuivre
• Couleur et taux d'ouverture du masque de soudure sur les grands pads thermiques
• Détails du chanfrein ou du fraisage des trous de fixation, le cas échéant

L'équipe d'ingénierie de Highleap Electronics effectue une analyse DFM gratuite des fichiers soumis avant l'établissement du devis, identifiant ainsi les problèmes mentionnés ci-dessus avant qu'ils ne deviennent des défauts de production ou des cartes rejetées. Le rapport d'analyse est fourni sous 1 à 2 jours ouvrables.

QFP

Quel outil de simulation utiliser pour la conception thermique des circuits imprimés (PCB) de LED en aluminium ? ANSYS Icepak et Mentor FloTHERM sont des logiciels d'analyse par éléments finis (FEA) complets, dotés de bibliothèques de matériaux pour les diélectriques MCPCB. Pour obtenir des résultats plus rapidement lors de la conception initiale, les outils de simulation des fabricants de LED (Lumileds SiteMap, OSRAM LED Expert) incluent des modèles thermiques simplifiés. Toute simulation est préférable à l'absence de simulation ; même un modèle sous forme de tableur de la résistance thermique jonction-ambiant permet de détecter les principales erreurs de conception avant le prototypage.

Comment gérer les plans de masse et d'alimentation sur un circuit imprimé LED monocouche en aluminium ? Les circuits imprimés monocouches ne possèdent pas de plan de masse au sens traditionnel des multicouches FR-4. L'alimentation et la masse (ou le retour de courant) doivent être acheminées par des pistes séparées. Les zones de cuivre non utilisées peuvent servir de chemins de retour de courant locaux, mais ne sont pas connectées électriquement à la base en aluminium. Cette dernière est soit mise à la masse du châssis, soit flottante, selon la conception du luminaire ; elle ne constitue pas automatiquement la masse du circuit.

Quel type de finition de plots dois-je spécifier pour les matrices de LED COB sur cartes aluminium ? L’ENIG est le choix idéal pour l’assemblage de circuits imprimés de LED COB (puce sur carte) . Une surface plane et reproductible est essentielle pour les procédés de fixation de la puce et de câblage utilisés dans la production de COB. Les variations de surface du HASL sont incompatibles avec les tolérances de hauteur de liaison requises pour l’assemblage de COB.

Comment la base en aluminium influence-t-elle le profil de refusion CMS ? La base en aluminium absorbe la chaleur pendant la montée en température, ce qui nécessite une vitesse de montée en température plus lente (maximum 2 °C/s) et potentiellement une température de zone de pic plus élevée pour atteindre une température adéquate des pastilles. La base conserve également la chaleur après la fin des zones de pic, prolongeant ainsi le temps passé au-dessus du liquidus. Demandez un profil de refusion spécifique à votre partenaire d'assemblage si vous passez de circuits imprimés LED FR-4 à des circuits imprimés LED en aluminium.