Guida alla progettazione e alla producibilità di PCB a LED in alluminio

La temperatura di giunzione dei LED è l'unica variabile che determina il tasso di deprezzamento del flusso luminoso, lo spostamento cromatico e il tempo di guasto. Ogni aspetto della progettazione di PCB in alluminio per LED contribuisce ad aumentare o diminuire la temperatura di giunzione. Un progettista che comprende la catena termica dalla giunzione all'ambiente circostante può prendere decisioni di layout che consentono di recuperare un margine di 10-20 °C da un dato dissipatore di calore. Un progettista che considera il PCB come un semplice substrato di montaggio meccanico e lascia l'ottimizzazione termica al fornitore del dissipatore di calore, rinuncia inutilmente a tale margine. Questa guida illustra le decisioni di progettazione che contano.

La catena termica: dove va il calore e dove si ferma

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1. La catena termica: dove va il calore e dove si ferma
2. Eseguire una simulazione termica prima di procedere con il layout.
3. Geometria dei pad LED: precisione dell'impronta e affidabilità delle saldature
4. Larghezza della traccia di rame per stringhe di LED ad alta corrente
5. Zone di esclusione e distanza di dispersione per driver LED integrati
6. Regole DFM specifiche per il layout di PCB a LED in alluminio
7. Lista di controllo per la consegna del progetto per la fabbricazione di PCB LED in alluminio
8. FAQ

Il calore fluisce dalla giunzione del LED → package del LED → giunto di saldatura → pad di rame → strato dielettrico → base di alluminio → dissipatore di calore → ambiente. Ogni interfaccia ha un valore di resistenza termica e il PCB contribuisce con tre di queste: la resistenza del giunto di saldatura, l'interfaccia rame-dielettrico e lo strato dielettrico stesso.

La resistenza dielettrica è il termine termico dominante nei circuiti stampati:

• Con una resistività di 1.0 W/m·K e uno spessore dielettrico di 100 µm, la temperatura dielettrica (θ_dielectric) è di circa 1.0 °C/W per cm² di area del pad.
• A 2.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielettrico ≈ 0.5 °C/W per cm²
• A 3.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielettrico ≈ 0.33 °C/W per cm²

Per un LED da 3W su un pad di 3 × 3 mm, la differenza tra un dielettrico da 1.0 e uno da 3.0 W/m·K corrisponde a circa 5 °C di temperatura di giunzione sul chip. Estendendo questo valore a un apparecchio da 150W con 50 LED, l'impatto a livello di sistema diventa significativo.

La base in alluminio aggiunge una resistenza termica trascurabile se ha uno spessore adeguato (≥1.0 mm) e l'interfaccia con il dissipatore di calore utilizza un materiale di interfaccia termica (TIM) appropriato. L'interfaccia tra la base e il dissipatore di calore rappresenta spesso la maggiore resistenza termica dell'intero assemblaggio, ma è al di fuori del controllo diretto del progettista del PCB.

Eseguire una simulazione termica prima di procedere con il layout.

La simulazione termica prima del layout del PCB previene due errori costosi: la realizzazione di una scheda che non si raffredda adeguatamente alla potenza nominale e la sovradimensionamento del dielettrico con costi inutili.

Input FEA per la simulazione di PCB LED in alluminio:

• Resistenza termica del package LED (θ_j-s, dal datasheet)
• Potenza diretta del LED alla corrente di funzionamento
• Dimensioni del tampone e del blocco termico
• Grado dielettrico e spessore (questo è il parametro che si deve calcolare)
• Dimensioni della base in alluminio e lega
• Resistenza del dissipatore di calore e valore TIM dell'interfaccia di montaggio
• Temperatura ambiente (nel caso peggiore: tipicamente 50–60 °C per apparecchi di illuminazione chiusi)

Cosa ti dice l'output della simulazione:

• Temperatura massima di giunzione del LED: confrontare con il valore nominale T_j (in genere 125–150 °C per i moderni package LED).
• Punti caldi dovuti all'aggregazione dei LED: se i LED sono posizionati troppo vicini, la resistenza termica delle fonti di calore dei LED adiacenti contribuisce ad aumentare la temperatura di giunzione.
• Temperatura dielettrica Tc richiesta per rimanere entro i limiti di temperatura della giunzione

Highleap Electronics offre supporto per la simulazione termica dei circuiti stampati multistrato (MCPCB) ai clienti che necessitano di convalidare le specifiche del proprio stack prima di avviare la produzione. Questo è particolarmente utile quando la scelta tra un dielettrico con costante dielettrica di 2.0 o 3.0 W/m·K incide significativamente sul costo del materiale.

Geometria dei pad LED: precisione dell'impronta e affidabilità delle saldature

La geometria dei pad sui PCB LED in alluminio ha implicazioni più stringenti rispetto al FR-4 standard, poiché la massa termica della base in alluminio è elevata e il controllo della temperatura di rifusione è più difficile. Errori comuni nella progettazione dei pad:

Pad termici sovradimensionati : un pad termico più grande dell'ingombro del componente LED crea un serbatoio di saldatura durante la rifusione che può aspirare la saldatura dai pad di segnale, causando una formazione insufficiente del giunto sui pad di segnale/anodo/catodo. Dimensionare il pad termico di 0-0.1 mm per lato in più rispetto al pad termico del componente, non di 0.3-0.5 mm come talvolta specificato per FR-4.

Rapporto di apertura della maschera di saldatura : per i pad termici di grandi dimensioni (>3 × 3 mm), utilizzare un'apertura segmentata della maschera di saldatura, ovvero più aperture più piccole anziché un unico pad completamente esposto, per controllare il volume della pasta e prevenire la formazione di vuoti. L'obiettivo è un'esposizione dell'area di rame del 50-70% per pad ≥ 9 mm².

Coplanarità dei pad : i circuiti stampati in alluminio con variazione dello spessore del dielettrico si deformano leggermente durante la rifusione. È possibile ottenere una coplanarità dei pad ≤0.05 mm con uno spessore del dielettrico controllato. Se la stampa della pasta saldante richiede una coplanarità precisa, discutetene con il produttore come specifica controllata. Esaminate come la progettazione della maschera di saldatura sui PCB influisce sulla resa di assemblaggio su substrati con nucleo metallico.

Larghezza della traccia di rame per stringhe di LED ad alta corrente

Lo standard IPC-2152 (precedentemente IPC-2221) fornisce il riferimento per la larghezza delle tracce in funzione della capacità di corrente. Sui PCB LED in alluminio, utilizzare le tabelle delle tracce dello strato interno anziché dello strato esterno, poiché la traccia si trova sulla superficie, ma la base in alluminio assorbe il calore dal basso, replicando parzialmente il comportamento termico dello strato interno.

Linee guida pratiche per la larghezza delle tracce di rame da 1 oz su PCB LED in alluminio, con aumento di temperatura di 10 °C:

Per correnti superiori a 5 A, passare a rame da 2 oz o 3 oz. La larghezza della traccia richiesta per 10 A (5 mm) con rame da 1 oz occupa un'area del layout che potrebbe essere utilizzata per ulteriori LED in progetti ad alta densità. Valutare i principi di progettazione di PCB con rame pesante quando il peso del rame supera le 2 oz.

Zone di esclusione e distanza di dispersione per driver LED integrati

Molti progetti di PCB LED in alluminio integrano il circuito di pilotaggio dei LED sulla stessa scheda dell'array di LED. Questo crea una regione ad alta tensione (lato ingresso driver: 100–350 V CA o CC) adiacente alla stringa di LED a bassa tensione. Regole di progettazione:

Distanza di dispersione superficiale : le norme IEC 60950-1 e IEC 62368-1 definiscono i requisiti di distanza di dispersione superficiale e di isolamento tra conduttori ad alta e bassa tensione. Per l'isolamento rinforzato a una tensione di esercizio di 250 V CA, la distanza di dispersione superficiale minima su un PCB è di 6.4 mm (grado di inquinamento 2, gruppo di materiali IIIa). Sui PCB LED in alluminio, dove la base in alluminio è al potenziale del telaio, è necessaria anche un'analisi della distanza di dispersione superficiale per qualsiasi conduttore sotto tensione rispetto al bordo della scheda o al foro di montaggio più vicino.

Distanza di sicurezza per le alte tensioni dai fori di montaggio : i fori di montaggio in alluminio collegano la base al telaio dell'apparecchio. Qualsiasi traccia ad alta tensione deve mantenere una distanza di isolamento/spaziale da questi fori, tenendo conto del diametro del fissaggio conduttivo.

Pad termici dei circuiti integrati driver : alcuni circuiti integrati driver per LED presentano pad termici esposti ad alta tensione (non a massa). Verificare la tensione dei pad prima di definire le aperture della maschera di saldatura e le zone di rame in prossimità di questi componenti.

Regole DFM specifiche per il layout di PCB a LED in alluminio

La progettazione per la producibilità su substrati di alluminio differisce da FR-4 in diversi aspetti:

Niente vie nei pad termici : a differenza dell'FR-4, dove a volte si utilizzano vie nel pad con riempimento di rame, i PCB LED in alluminio non supportano vie interrate o cieche. Tutto il routing deve essere realizzato nel singolo strato di rame. Le colate di rame e le tracce larghe sostituiscono la dissipazione del calore basata sulle vie.

Anello anulare minimo per la foratura dell'alluminio : a causa dell'abrasione dell'utensile di foratura sull'alluminio, la deviazione della punta è leggermente superiore rispetto all'FR-4. L'anello anulare minimo per i fori metallizzati sui PCB LED in alluminio dovrebbe essere di 0.25 mm, non di 0.15 mm come potrebbe essere accettabile sull'FR-4.

Distanza di sicurezza dei componenti dalle linee di incisione a V : la distanza di sicurezza standard dalle linee di incisione a V è di 0.5 mm per i componenti su FR-4. Su alluminio, la variazione della profondità della lama dell'incisione a V può essere di ±0.1 mm e l'incisione sull'alluminio crea una leggera interruzione della superficie. Aumentare la distanza di sicurezza dei componenti dalle linee di incisione a V a 0.75 mm sui PCB LED in alluminio.

Placcatura dei bordi non disponibile : i PCB in alluminio per LED non supportano la placcatura dei bordi. Qualsiasi collegamento elettrico necessario sul bordo della scheda deve essere effettuato tramite piazzole arretrate rispetto al bordo di almeno 0.5 mm.

Per una revisione DFM completa prima di inviare il progetto per la produzione, utilizzare la checklist DFM per PCB come riferimento preliminare.

Lista di controllo per la consegna del progetto per la fabbricazione di PCB LED in alluminio

Prima di inviare i file al produttore:

• File Gerber: strato di rame, strato superiore della maschera di saldatura, strato superiore della serigrafia, contorno del circuito stampato (DXF o strato Gerber dedicato)
• File di foratura: tutti i fori con diametro e indicazione (placcato/non placcato).
• Specifiche di impilamento: grado di alluminio, spessore, grado dielettrico Tc, peso del rame, spessore totale della scheda
• Specifiche della finitura superficiale: spessore ENIG oro/nichel o HASL/OSP
• requisito di tensione Hi-pot
• Classe IPC (2 o 3)
• Specifiche controllate: tolleranza dello spessore del dielettrico, tolleranza dello spessore del rame
• Colore della maschera di saldatura e rapporto di apertura sui grandi pad termici
• Dettagli relativi alla smussatura o alla svasatura del foro di montaggio, se necessari.

Il team di ingegneri di Highleap Electronics esegue una revisione DFM gratuita sui file inviati prima di fornire un preventivo, identificando eventuali problemi sopra menzionati prima che si trasformino in difetti di produzione o schede scartate. La revisione viene completata entro 1-2 giorni lavorativi.

FAQ

Quale strumento di simulazione dovrei utilizzare per la progettazione termica di PCB LED in alluminio? ANSYS Icepak e Mentor FloTHERM sono strumenti FEA completi con librerie di materiali per dielettrici MCPCB. Per risultati più rapidi durante la fase di progettazione iniziale, gli strumenti di simulazione dei produttori di LED (Lumileds SiteMap, OSRAM LED Expert) includono modelli termici semplificati. Qualsiasi simulazione è meglio di nessuna simulazione: anche un modello a foglio di calcolo della resistenza termica giunzione-ambiente permette di individuare i principali errori di progettazione prima della prototipazione.

Come si gestiscono i piani di massa e di alimentazione su un PCB LED in alluminio monostrato? I circuiti stampati monostrato non hanno un piano di massa nel senso tradizionale dei circuiti stampati multistrato FR-4. L'alimentazione e la massa (o ritorno di corrente) devono essere instradate come tracce separate. Le aree di rame non utilizzate possono fungere da percorsi locali di ritorno di corrente, ma non sono collegate elettricamente alla base in alluminio. La base in alluminio è la massa del telaio o flottante, a seconda del design del dispositivo, e non automaticamente la massa del circuito.

Quale finitura dei pad devo specificare per gli array di LED COB su schede in alluminio? ENIG è la scelta corretta per l'assemblaggio di PCB con LED COB (chip-on-board) . La superficie piana e riproducibile è essenziale per i processi di fissaggio del chip e di collegamento dei fili utilizzati nella produzione di COB. La variazione di superficie di HASL è incompatibile con le tolleranze di altezza di incollaggio nell'assemblaggio di COB.

In che modo la base in alluminio influisce sul profilo di rifusione SMT? La base in alluminio assorbe calore durante la fase di riscaldamento, richiedendo una velocità di riscaldamento più lenta (massimo 2 °C/s) e potenzialmente una temperatura di picco più elevata nella zona di riscaldamento per raggiungere una temperatura adeguata del pad. La base trattiene inoltre il calore anche dopo aver lasciato le zone di picco, prolungando il tempo al di sopra del punto di liquidus. Richiedete un profilo di rifusione dedicato al vostro partner di assemblaggio se passate da PCB LED in FR-4 a PCB LED in alluminio.