Alumínium LED NYÁK-tervezés és DFM útmutató

A LED-ek csatlakozási hőmérséklete az egyetlen változó, amely meghatározza a fényáram-csökkenési sebességet, a színeltolódást és a meghibásodásig eltelt időt. Az alumínium LED NYÁK-ok tervezésében minden hozzájárul vagy csökkenti a csatlakozási hőmérsékletet. Egy olyan tervező, aki érti a csatlakozástól a környezeti hőmérsékletig tartó hőláncot, olyan elrendezési döntéseket hozhat, amelyekkel 10–20 °C-kal kevesebb tartalékot lehet visszanyerni egy adott hűtőbordától. Egy olyan tervező, aki a NYÁK-ot mechanikus rögzítőfelületként kezeli, és a hőoptimalizálást a hűtőborda gyártójára bízza, szükségtelenül visszaveszi ezt a tartalékot. Ez az útmutató a fontos tervezési döntéseket tárgyalja.

A hőlánc: Hová megy a hő és hol áll meg

Cikk navigáció

1. A hőlánc: Hová megy a hő és hol áll meg
2. Termikus szimuláció futtatása az elrendezés véglegesítése előtt
3. LED-pad geometria: Pontos lenyomat és megbízható forrasztási kötés
4. Rézvezeték szélessége nagyáramú LED-füzérekhez
5. Kizárt zónák és kúszóútvonalak integrált LED-meghajtókhoz
6. Az alumínium LED NYÁK elrendezésére vonatkozó DFM szabályok
7. Tervezési átadási ellenőrzőlista alumínium LED NYÁK-gyártáshoz
8. FAQ

A hő a következő utakon áramlik: LED csatlakozás → LED tokozás → forrasztási pont → rézlap → dielektromos réteg → alumínium alap → hűtőborda → környezet. Minden csatlakozási pontnak van egy hőellenállási értéke, és a NYÁK három tényezőt járul hozzá ehhez: a forrasztási pont ellenállását, a réz-dielektromos csatlakozást és magát a dielektromos réteget.

A dielektromos ellenállás a NYÁK-ok domináns termikus jellemzője:

• 1.0 W/m·K, 100 µm dielektromos vastagság esetén: θ_dielektromos ≈ 1.0°C/W cm²-enként a pad felületére vonatkoztatva
• 2.0 W/m·K-nál, 100 µm-nél: θ_dielektromos tényező ≈ 0.5°C/W cm²-enként
• 3.0 W/m·K-nál, 100 µm-nél: θ_dielektromos tényező ≈ 0.33°C/W cm²-enként

Egy 3 × 3 mm-es pad-re szerelt 3 W-os LED esetében az 1.0 és 3.0 W/m·K dielektromos érték közötti különbség körülbelül 5 °C-kal nagyobb a lapka csatlakozási hőmérsékleténél. Ha ezt egy 150 W-os, 50 LED-del ellátott lámpatestre skálázzuk, a rendszerszintű hatás jelentős lesz.

Az alumínium alap elhanyagolható mértékben növeli a hőellenállást, ha megfelelően vastag (≥1.0 mm), és a hűtőborda csatlakozása megfelelő TIM-et (hővezető anyagot) használ. Az alap és a hűtőborda közötti csatlakozás gyakran a legnagyobb hőellenállást jelenti az összeállításban – de ez kívül esik a NYÁK-tervező közvetlen irányításán.

Termikus szimuláció futtatása az elrendezés véglegesítése előtt

A NYÁK-elrendezés előtti hőszimuláció két költséges hibát előz meg: egy olyan NYÁK építését, amely nem tud megfelelően hűlni névleges teljesítményen, és a dielektrikum túlzott specifikációját, ami szükségtelen költségekkel jár.

FEA bemenetek alumínium LED NYÁK szimulációhoz:

• LED tokozás hőellenállása (θ_j-s, az adatlapból)
• LED előremenő teljesítménye üzemi áramnál
• Pad és hővezető csík méretei
• Dielektromos minőség és vastagság (ez az a paraméter, amelyet meg kell oldani)
• Alumínium alap méretei és ötvözet
• Hűtőborda ellenállása és a szerelési felület TIM értéke
• Környezeti hőmérséklet (legrosszabb esetben: jellemzően 50–60°C zárt lámpatestek esetén)

Amit a szimuláció kimenete mutat:

• A LED-ek csatlakozási hőmérsékletének maximális értéke – hasonlítsa össze a T_j névleges értékkel (jellemzően 125–150 °C a modern LED-csomagok esetében)
• LED-csoportosulás okozta forró pontok – ha a LED-ek túl közel helyezkednek el, a szomszédos LED-ek hőforrásainak hőellenállása növeli a csatlakozási pont hőmérsékletét
• Szükséges dielektromos Tc a csatlakozási hőmérsékleti kereten belül maradáshoz

A Highleap Electronics MCPCB hőszimulációs támogatást nyújt azoknak az ügyfeleknek, akiknek a gyártás megkezdése előtt validálniuk kell a kötegspecifikációjukat. Ez különösen akkor hasznos, ha a 2.0 és 3.0 W/m·K dielektromos tulajdonság közötti választás jelentősen befolyásolja az anyagköltségeket.

LED-pad geometria: Pontos lenyomat és megbízható forrasztási kötés

Az alumínium LED NYÁK-ok pad geometriája szigorúbb következményekkel jár, mint a standard FR-4-en, mivel az alumínium alap hőtömege magas, és az újraömlesztési hőmérséklet szabályozása nehezebb. Gyakori pad tervezési hibák:

Túlméretezett hővezető párnák : A LED-tok hővezető párnájának méreténél nagyobb hővezető párna forrasztóón-tartályt hoz létre az újrafröccsöntés során, amely elszívhatja a forrasztóanyagot a jelvezető párnákról, ami elégtelen illesztési formát eredményezhet a jel-/anód-/katódpárnáknál. A hővezető párnát oldalanként 0–0.1 mm-rel nagyobb méretűre kell méretezni, mint a tokozás hővezető párnáját, ne pedig 0.3–0.5 mm-rel, ahogy az az FR-4 esetében néha elő van írva.

Forrasztómaszk nyílási arány : Nagy hővezető párnák (>3 × 3 mm) esetén szegmentált forrasztómaszk nyílást használjon – több kisebb nyílást egy teljesen szabadon álló párna helyett – a paszta mennyiségének szabályozása és a forrasztási lyukak képződésének megakadályozása érdekében. A ≥ 9 mm²-es párna esetén a rézfelület 50–70%-ának szabaddá válását célozza meg.

Pad koplanaritás : Az eltérő dielektromos vastagságú alumínium lapok enyhén vetemednek az újrafröccsöntés során. Szabályozott dielektromos vastagsággal ≤0.05 mm-es pad koplanaritás érhető el. Ha a pasztanyomtatás szoros koplanaritást igényel, akkor ezt a gyártóval szabályozott specifikációként kell megbeszélni. Vizsgálja meg, hogy a NYÁK-okon lévő forrasztómaszk kialakítása hogyan befolyásolja az összeszerelési hozamot fémmagos hordozókon.

Rézvezeték szélessége nagyáramú LED-füzérekhez

Az IPC-2152 szabvány (korábban IPC-2221) adja meg a referenciaértéket a vezetőszélesség és az áramkapacitás tekintetében. Alumínium LED NYÁK-okon a belső réteg vezetőszélesség-táblázatait kell használni a külső réteg helyett – mivel a vezetősín a felületen található, de az alumínium alap elnyeli a hőt alulról, részben lemásolva a belső réteg hőviselkedését.

Gyakorlati útmutató a 1 g-os rézvezeték szélességéhez alumínium LED NYÁK-okon, 10°C-os emelkedés esetén:

5 A feletti áramerősség esetén váltson 2 unciás vagy 3 unciás rézre. A 10 A-hez szükséges 1 uncia (5 mm) rézvezető szélesség elterjedési területet foglal el, amelyet jobban lehet használni a nagy sűrűségű kialakításokban található további LED-ek számára. Fedezze fel a nehéz rézből készült NYÁK-tervezési alapelveket, ha a réz súlya meghaladja a 2 unciát.

Kizárt zónák és kúszóútvonalak integrált LED-meghajtókhoz

Sok alumínium LED NYÁK-terv integrálja a LED-meghajtó áramkört ugyanarra a panelre, mint a LED-sort. Ez egy nagyfeszültségű tartományt hoz létre (meghajtó bemeneti oldal: 100–350 V AC vagy DC) az alacsony feszültségű LED-füzér mellett. Tervezési szabályok:

Kúszóáramút : Az IEC 60950-1 és az IEC 62368-1 szabványok határozzák meg a kúszóáramútra és a légrésre vonatkozó követelményeket a nagyfeszültségű és kisfeszültségű vezetők között. 250 V AC üzemi feszültségnél megerősített szigetelés esetén a NYÁK-on a minimális kúszóáramút 6.4 mm (2. szennyezettségi fok, IIIa anyagcsoport). Alumínium LED NYÁK-okon, ahol az alumínium alap a ház potenciálján van, a fázisvezetőtől a legközelebbi panel széléig vagy rögzítőfuratig tartó távolságot is kúszóáramút-elemzésnek kell alávetni.

Nagyfeszültségű vezetékek távol tartása a rögzítőfuratoktól : Az alumínium rögzítőfuratok kötik össze az alapot a lámpatest házával. Minden nagyfeszültségű vezetéknek kúszóáramú/hézagú távolságot kell tartania ezektől a furatoktól, figyelembe véve a vezetőképes rögzítőelem átmérőjét.

Meghajtó IC hővezető párnái : Néhány LED meghajtó IC-nek nagyfeszültségű potenciálon (nem földön) szabadon lévő hővezető párnái vannak. Ellenőrizze a párnák feszültségét, mielőtt forrasztómaszk nyílásokat és rézöntéseket definiálna ezeknek az alkatrészeknek a közelében.

Az alumínium LED NYÁK elrendezésére vonatkozó DFM szabályok

Az alumínium hordozókon történő gyárthatósági tervezés több területen is eltér az FR-4 szabványtól:

Nincsenek furatok a hővezető párnákban : Az FR-4-gyel ellentétben, ahol néha rézzel töltött furatokat használnak a párnában, az alumínium LED NYÁK-ok nem támogatják az elásott vagy vak furatokat. Minden vezetékezést egyetlen rézrétegben kell elvégezni. A rézöntések és a széles vezetékek helyettesítik a furatokon alapuló hőterjedést.

Alumínium fúráshoz szükséges minimális gyűrűméret : Az alumínium fúrószerszámainak kopása miatt a fúró elmozdulása valamivel nagyobb, mint az FR-4 esetében. Az alumínium LED NYÁK-okon lévő galvanizált átmenő furatokhoz a minimális gyűrűméretnek 0.25 mm-nek kell lennie, nem pedig 0.15 mm-nek, ami az FR-4 esetében elfogadható.

Alkatrész távolság a V-vonaltól : Az FR-4 alkatrészeknél a szabványos távolság a V-vonaltól 0.5 mm. Alumínium esetén a V-vonal mélységváltozása ±0.1 mm lehet, és az alumínium vágás enyhe felületi zavart okoz. Növelje az alkatrész távolságát a V-vonaltól 0.75 mm-re az alumínium LED NYÁK-okon.

Élbevonatolás nem lehetséges : Az alumínium LED NYÁK-ok nem támogatják az élbevonatolást. A kártya szélén szükséges elektromos csatlakozásokat ≥0.5 mm-rel a szélétől hátrahúzott érintkezőkkel kell megoldani.

A terv gyártásra való benyújtása előtti teljes DFM-ellenőrzéshez használja a NYÁK DFM-ellenőrzőlistáját referenciaként.

Tervezési átadási ellenőrzőlista alumínium LED NYÁK-gyártáshoz

Mielőtt elküldené a fájlokat a gyártónak:

• Gerber fájlok: rézréteg, forrasztómaszk teteje, szitanyomás teteje, panel körvonala (DXF vagy dedikált Gerber réteg)
• Fúróreszelő: minden furat átmérővel, bevonatos/nem bevonatos megjelöléssel
• Stack-up specifikáció: alumínium minőség, vastagság, dielektromos Tc minőség, réz súlya, teljes panelvastagság
• Felületkezelési specifikáció: ENIG arany/nikkel vastagság, vagy HASL/OSP
• Nagypotenciálú feszültségkövetelmény
• IPC osztály (2 vagy 3)
• Ellenőrzött specifikációk: dielektromos vastagságtűrés, rézvastagságtűrés
• Forrasztómaszk színe és nyitási aránya nagy hővezető párnákon
• Szerelési furat letörésének vagy süllyesztésének részletei, ha szükséges

A Highleap Electronics mérnöki csapata ingyenes DFM-felülvizsgálatot végez a beküldött fájlokon az árajánlatadás előtt, azonosítva a fenti problémákat, mielőtt azok gyártási hibává vagy elutasított áramköri lapká válnának. A felülvizsgálatot 1-2 munkanapon belül visszaküldjük.

FAQ

Milyen szimulációs eszközt használjak alumínium LED NYÁK-ok hőtervezéséhez? Az ANSYS Icepak és a Mentor FloTHERM teljes értékű végeselemes analízis (FEA) eszközök, anyagkönyvtárakkal az MCPCB dielektrikumokhoz. A kezdeti tervezés során a gyorsabb eredmények érdekében a LED-gyártók szimulációs eszközei (Lumileds SiteMap, OSRAM LED Expert) egyszerűsített hőmodelleket tartalmaznak. Bármilyen szimuláció jobb, mint a semmi – még egy táblázatkezelő modell is, amely a csatlakozás és a környezet közötti hőellenállást mutatja, a prototípusgyártás előtt kiszűri a nagyobb tervezési hibákat.

Hogyan kezeljem a földelési és tápellátási síkokat egy egyrétegű alumínium LED NYÁK-on? Az egyrétegű paneleknek nincs földelési síkjuk a hagyományos FR-4 többrétegű értelemben. A tápellátást és a földelést (vagy az áramvisszavezetést) külön vezetékeken kell vezetni. A fel nem használt területeken lévő rézvezetékek helyi áramvisszavezető útvonalként szolgálhatnak, de nincsenek elektromosan csatlakoztatva az alumínium alaphoz. Az alumínium alap vagy házföldelt, vagy lebegő, a lámpatest kialakításától függően – nem automatikusan áramköri földelés.

Milyen pad felületkezelést kell meghatároznom az alumínium paneleken lévő COB LED tömbökhöz? Az ENIG a megfelelő választás a COB (chip-on-board) LED NYÁK-szereléshez . A sík, reprodukálható felület elengedhetetlen a COB-gyártás során használt chip-rögzítési és vezetékkötési folyamatokhoz. A HASL felületi változatossága nem kompatibilis a COB-szerelés kötésmagasság-tűréseivel.

Hogyan befolyásolja az alumínium alap az SMT újraömlesztési profilját? Az alumínium alap a felfutás során hőt nyel el, ami lassabb felfutási sebességet (maximum 2°C/s) és potenciálisan magasabb csúcszónás hőmérsékletet igényel a megfelelő pad-hőmérséklet eléréséhez. Az alap a csúcszónák elhagyása után is megtartja a hőt, meghosszabbítva a likvidusz feletti időt. Kérjen dedikált újraömlesztési profilt az összeszerelő partnerétől, ha FR-4-ről alumínium LED NYÁK-okra vált.