アルミ製LED基板の設計およびDFMガイド

LEDの接合部温度は、光束減衰率、色ずれ、故障までの時間を決定する唯一の変数です。アルミ製LED基板の設計においては、あらゆる要素が接合部温度の上昇または低下に影響を与えます。接合部から周囲環境までの熱伝導経路を理解している設計者は、ヒートシンクの性能を最大限に引き出すレイアウト設計によって、10～20℃の温度マージンを確保できます。一方、基板を単なる機械的な実装基板として扱い、熱最適化をヒートシンクメーカーに任せてしまう設計者は、そのマージンを無駄に失うことになります。本ガイドでは、重要な設計上の決定事項について解説します。

熱伝導経路：熱はどこへ行き、どこで滞留するのか

記事のナビゲーション

1. 熱伝導経路：熱はどこへ行き、どこで滞留するのか
2. レイアウトを決定する前に熱シミュレーションを実行する
3. LEDパッド形状：フットプリント精度と半田接合部の信頼性
4. 高電流LEDストリング用銅配線幅
5. 集積型LEDドライバの立ち入り禁止区域と沿面距離
6. アルミ製LED基板レイアウトに特化したDFMルール
7. アルミ製LED基板製造のための設計引き渡しチェックリスト
8. FAQ

熱は、LED接合部→LEDパッケージ→はんだ接合部→銅パッド→誘電体層→アルミニウムベース→ヒートシンク→周囲環境へと流れます。各界面には熱抵抗値があり、PCBははんだ接合部の抵抗、銅と誘電体の界面、そして誘電体層自体の3つの界面に影響を与えます。

誘電抵抗は、プリント基板の熱特性において支配的な要素である。

• 1.0 W/m·K、100 µmの誘電体の場合：θ_dielectric ≈ 1.0°C/W/cm²のパッド面積あたり
• 2.0 W/m·K、100 µmの場合：θ_dielectric ≈ 0.5°C/W/cm²
• 3.0 W/m·K、100 µmの場合：θ_dielectric ≈ 0.33°C/W/cm²

3×3mmのパッド上の3W LEDの場合、1.0W/m・Kと3.0W/m・Kの誘電体の差は、ダイにおける接合部温度の約5℃の差に相当します。これを50個のLEDを備えた150Wの照明器具全体に当てはめると、システムレベルへの影響は甚大です。

アルミニウム製のベースは、十分な厚さ（1.0 mm以上）があり、ヒートシンクとの接合部に適切な熱伝導性材料（TIM）が使用されていれば、熱抵抗の増加はごくわずかです。ベースとヒートシンクの接合部は、アセンブリ内で最も大きな熱抵抗となることが多いのですが、これはPCB設計者が直接制御できる範囲外です。

レイアウトを決定する前に熱シミュレーションを実行する

基板レイアウト前に熱シミュレーションを行うことで、2つの高額なミスを防ぐことができます。1つは定格電力で適切に冷却できない基板を製造してしまうこと、もう1つは不必要なコストをかけて誘電体を過剰に指定してしまうことです。

アルミニウム製LED基板シミュレーションのためのFEA入力データ：

• LEDパッケージの熱抵抗（θ_j-s、データシートより）
• 動作電流時のLED順方向電力
• パッドとサーマルスラグの寸法
• 誘電体グレードと厚さ（これがあなたが求めるパラメータです）
• アルミニウムベースの寸法と合金
• ヒートシンクの抵抗値と取り付けインターフェースのTIM値
• 周囲温度（最悪の場合：密閉型照明器具の場合、通常50～60℃）

シミュレーション出力からわかること：

• LED接合部の最大温度 ― T_j定格（最新のLEDパッケージでは通常125～150℃）と比較してください。
• LEDクラスターによるホットスポット — LEDを近すぎると、隣接するLEDの発熱源からの熱抵抗が接合部温度に加算される。
• 接合部温度の許容範囲内に収まるために必要な誘電体Tc

Highleap Electronicsは、生産開始前に積層構造の仕様を検証する必要のある顧客向けに、 MCPCB（マイクロセラミック基板）の熱シミュレーションサポートを提供しています。これは、2.0W/m・Kと3.0W/m・Kのどちらの誘電体を選択するかによって材料コストが大きく変動する場合に特に役立ちます。

LEDパッド形状：フットプリント精度と半田接合部の信頼性

アルミ製LED基板のパッド形状は、標準的なFR-4基板よりも厳しい制約を受ける。これは、アルミ基板の熱容量が大きく、リフロー温度の制御が難しいためである。よくあるパッド設計上のエラー：

過大なサーマルパッド：LEDパッケージのサーマルパッドの接地面積よりも大きいサーマルパッドは、リフロー時に半田溜まりを形成し、信号パッドから半田を吸い上げてしまうため、信号/陽極/陰極パッドでの接合が不十分になる可能性があります。サーマルパッドのサイズは、パッケージのサーマルパッドよりも片側0～0.1mm大きくしてください。FR-4の場合、0.3～0.5mmと指定されることがあります。

ソルダーマスクの開口率：大型のサーマルパッド（>3 × 3 mm）の場合は、ペースト量を制御し、ボイドの発生を防ぐために、ソルダーマスクの開口を分割します。これは、完全に露出したパッドを1つではなく、複数の小さな開口部を設けることを意味します。9 mm²以上のパッドでは、銅面積の50～70%の露出を目指します。

パッドの共面性：誘電体厚さにばらつきのあるアルミ基板は、リフロー時にわずかに反ります。誘電体厚さを制御することで、パッドの共面性を0.05 mm以下に抑えることができます。ペースト印刷で高い共面性が求められる場合は、この点を工場と調整仕様として検討してください。PCB上のソルダーマスク設計が、金属コア基板の組立歩留まりにどのように影響するかを確認してください。

高電流LEDストリング用銅配線幅

IPC-2152規格（旧IPC-2221）は、配線幅と電流容量の関係に関する基準を提供します。アルミ製LED基板の場合、配線は表面にありますが、アルミ基板が下から熱を吸収するため、内部層の熱挙動が部分的に再現されるため、外部層ではなく内部層の配線テーブルを使用してください。

アルミニウム製LED基板上の1オンス銅配線における実用的な配線幅ガイドライン（温度上昇10℃）：

5 Aを超える電流の場合は、2オンスまたは3オンスの銅を使用してください。1オンスで10 A（5 mm）に必要な配線幅は、高密度設計で追加のLEDに使用できるレイアウト領域を消費します。銅重量が2オンスを超える場合は、高銅PCB設計の原則を検討してください。

集積型LEDドライバの立ち入り禁止区域と沿面距離

多くのアルミ製LED基板設計では、LEDドライバ回路をLEDアレイと同じ基板上に統合しています。これにより、低電圧LEDストリングに隣接して高電圧領域（ドライバ入力側：100～350V ACまたはDC）が形成されます。設計ルール：

沿面距離：IEC 60950-1およびIEC 62368-1は、高電圧導体と低電圧導体間の沿面距離および空間距離の要件を規定しています。250V AC動作電圧の強化絶縁の場合、プリント基板上の最小沿面距離は6.4 mmです（汚染度2、材料グループIIIa）。アルミニウムベースがシャーシ電位にあるアルミニウムLEDプリント基板では、活線導体から最も近い基板端または取り付け穴までの距離についても沿面距離解析が必要です。

取付穴からの高電圧遮断：アルミニウム製の取付穴は、ベースと器具シャーシを接続するために使用されます。高電圧配線は、導電性締結具の直径を考慮して、これらの穴から沿面距離／空間距離を確保する必要があります。

ドライバICのサーマルパッド：一部のLEDドライバICには、高電圧電位（接地ではない）に露出したサーマルパッドがあります。これらの部品付近のはんだマスク開口部や銅箔パターンを定義する前に、パッド電圧を確認してください。

アルミ製LED基板レイアウトに特化したDFMルール

アルミニウム基板における製造性設計は、FR-4とはいくつかの点で異なります。

サーマルパッドにビアは不要：銅充填ビアインパッドが使用されることがあるFR-4とは異なり、アルミニウムLED基板は埋め込みビアやブラインドビアをサポートしていません。すべての配線は単一の銅層で行う必要があります。ビアによる放熱の代わりに、銅の平板と幅広の配線が使用されます。

アルミニウム穴あけにおける最小環状リング：アルミニウムはドリル工具を摩耗させるため、ドリルのブレはFR-4よりも若干大きくなります。アルミニウム製LED基板のめっきスルーホールにおける最小環状リングは、FR-4で許容される0.15mmではなく、0.25mmにする必要があります。

V溝線からの部品の配置距離：FR-4基板上の部品の場合、V溝線からの標準的な配置距離は0.5mmです。アルミニウム基板の場合、V溝の刃の深さのばらつきは±0.1mm程度になる可能性があり、アルミニウムの溝によって表面にわずかな凹凸が生じます。アルミニウム製LED基板の場合は、V溝線からの部品の配置距離を0.75mmに増やしてください。

エッジメッキはご利用いただけません：アルミ製LED基板はエッジメッキに対応していません。基板端部での電気接続は、端部から0.5mm以上奥まった位置にあるパッドを通して行う必要があります。

設計を製造に提出する前に、完全なDFMレビューを行うには、PCB DFMチェックリストを提出前の参考資料として使用してください。

アルミ製LED基板製造のための設計引き渡しチェックリスト

製造元にファイルを送信する前に：

• ガーバーファイル：銅層、ソルダーマスク（上面）、シルクスクリーン（上面）、基板外形（DXFまたは専用ガーバーレイヤー）
• ドリルファイル：すべての穴の直径、メッキ／非メッキの指定
• 積層構成仕様：アルミニウムのグレード、厚さ、誘電体のTcグレード、銅の重量、基板全体の厚さ
• 表面仕上げ仕様：ENIG金/ニッケル厚さ、またはHASL/OSP
• 高耐圧要件
• IPCクラス（2または3）
• 管理仕様：誘電体厚さ公差、銅厚さ公差
• 大型サーマルパッドにおけるソルダーマスクの色と開口率
• 必要に応じて、取り付け穴の面取りまたは皿穴加工の詳細

Highleap Electronicsのエンジニアリングチームは、見積もり前に提出されたファイルに対して無料のDFMレビューを実施し、上記のような問題が製造上の欠陥や不良基板となる前に特定します。レビュー結果は1～2営業日以内に返却されます。

FAQ

アルミ製LED基板の熱設計には、どのシミュレーションツールを使用すればよいでしょうか？ ANSYS IcepakとMentor FloTHERMは、MCPCB誘電体用の材料ライブラリを備えた本格的なFEAツールです。初期設計段階でより迅速な結果を得るには、LEDメーカーのシミュレーションツール（Lumileds SiteMap、OSRAM LED Expertなど）に簡略化された熱モデルが含まれています。シミュレーションは、全く行わないよりはましです。接合部から周囲への熱抵抗をスプレッドシートでモデル化しただけでも、試作前に重大な設計ミスを検出できます。

単層アルミ製LED基板のグランドプレーンと電源プレーンはどのように処理すればよいでしょうか？単層基板には、従来のFR-4多層基板のようなグランドプレーンはありません。電源とグランド（または電流リターン）は、別々の配線として配線する必要があります。未使用領域の銅箔は、局所的な電流リターン経路として機能しますが、アルミ基板とは電気的に接続されていません。アルミ基板は、器具の設計に応じてシャーシグランドまたはフローティング状態となり、自動的に回路グランドになるわけではありません。

アルミ基板上のCOB LEDアレイには、どのパッド仕上げを指定すればよいでしょうか？ COB（チップオンボード）LED基板実装には、ENIGが最適な選択肢です。平坦で再現性の高い表面は、COB製造で使用されるダイアタッチおよびワイヤボンディング工程に不可欠です。HASLの表面ばらつきは、COB実装におけるボンディング高さの許容誤差と互換性がありません。

アルミニウムベースはSMTリフロープロファイルにどのような影響を与えますか？アルミニウムベースは昇温時に熱を吸収するため、適切なパッド温度を達成するには、昇温速度を遅く（最大2℃/秒）、ピークゾーン温度を高くする必要があります。また、ベースはピークゾーンを過ぎた後も熱を保持するため、液相線温度を超える時間が長くなります。FR-4からアルミニウムLED基板に切り替える場合は、組立パートナーに専用のリフロープロファイルを依頼してください。