Handleiding voor het ontwerpen en ontwikkelen van aluminium LED-printplaten

De junctietemperatuur van een LED is de enige variabele die de afname van de lichtopbrengst, de kleurverschuiving en de levensduur bepaalt. Alles in het ontwerp van een aluminium LED-printplaat draagt ​​bij aan of verlaagt de junctietemperatuur. Een ontwerper die de thermische keten van junctie tot omgeving begrijpt, kan lay-outbeslissingen nemen die een marge van 10-20 °C opleveren ten opzichte van een bepaalde koelplaat. Een ontwerper die de printplaat als een mechanisch montagesubstraat beschouwt en de thermische optimalisatie overlaat aan de leverancier van de koelplaat, geeft die marge onnodig weg. Deze handleiding behandelt de ontwerpbeslissingen die ertoe doen.

De thermische keten: waar warmte naartoe gaat en waar deze stagneert.

Artikelnavigatie

1. De thermische keten: waar warmte naartoe gaat en waar deze stagneert.
2. Een thermische simulatie uitvoeren voordat de lay-out definitief wordt vastgelegd.
3. LED-padgeometrie: nauwkeurigheid van de voetafdruk en betrouwbaarheid van de soldeerverbindingen
4. Diameter van de koperen printplaat voor LED-strings met hoge stroomsterkte
5. Uitsluitingszones en kruipafstand voor geïntegreerde LED-drivers
6. DFM-regels specifiek voor de lay-out van aluminium LED-printplaten
7. Checklist voor de overdracht van het ontwerp voor de fabricage van aluminium LED-printplaten.
8. FAQ

Warmte stroomt van de LED-aansluiting → LED-behuizing → soldeerverbinding → koperen pad → diëlektrische laag → aluminium basis → koelblok → omgeving. Elke interface heeft een thermische weerstandswaarde, en de printplaat draagt ​​er drie bij: de weerstand van de soldeerverbinding, de interface tussen koper en diëlektricum, en de diëlektrische laag zelf.

De diëlektrische weerstand is de belangrijkste thermische factor voor printplaten:

• Bij een diëlektrische constante van 1.0 W/m·K en een dikte van 100 µm: θ_dielectric ≈ 1.0 °C/W per cm² padoppervlak
• Bij 2.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielectric ≈ 0.5 °C/W per cm²
• Bij 3.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielectric ≈ 0.33 °C/W per cm²

Voor een 3W LED op een pad van 3 × 3 mm is het verschil tussen een diëlektrische constante van 1.0 en 3.0 W/m·K ongeveer 5°C junctietemperatuur op de chip. Als je dat opschaalt naar een armatuur van 150W met 50 LED's, is de impact op systeemniveau aanzienlijk.

De aluminium basis voegt slechts een verwaarloosbare thermische weerstand toe als deze voldoende dik is (≥1.0 mm) en de interface met het koelblok gebruikmaakt van geschikt thermisch geleidend materiaal (TIM). De interface tussen de basis en het koelblok is vaak de grootste bron van thermische weerstand in de assemblage, maar dit valt buiten de directe controle van de PCB-ontwerper.

Een thermische simulatie uitvoeren voordat de lay-out definitief wordt vastgelegd.

Thermische simulatie vóór het printplaatontwerp voorkomt twee kostbare fouten: het bouwen van een printplaat die niet voldoende kan koelen bij het nominale vermogen, en het onnodig overdimensioneren van het diëlektricum.

FEA-inputs voor simulatie van aluminium LED-printplaten:

• Thermische weerstand van de LED-behuizing (θ_j-s, uit het datasheet)
• LED-voorwaarts vermogen bij bedrijfsstroom
• Afmetingen van de pad en de thermische slug
• Diëlektrische kwaliteit en dikte (dit is de parameter waarnaar u zoekt)
• Afmetingen van de aluminium basis en legering
• Koelweerstand en montage-interface TIM-waarde
• Omgevingstemperatuur (worst-case scenario: doorgaans 50–60 °C voor gesloten armaturen)

Wat de simulatie-uitvoer u vertelt:

• Maximale LED-junctietemperatuur — vergelijk met de T_j-waarde (doorgaans 125–150 °C voor moderne LED-behuizingen)
• Hittepunten door LED-clustering — als LED's te dicht bij elkaar geplaatst zijn, verhoogt de thermische weerstand van naburige LED-warmtebronnen de junctietemperatuur.
• De vereiste diëlektrische constante Tc moet binnen het temperatuurbereik van de junctie blijven.

Highleap Electronics biedt MCPCB-thermische simulatieondersteuning aan klanten die hun stackspecificaties moeten valideren voordat ze overgaan tot productie. Dit is met name nuttig wanneer de keuze tussen een diëlektrische constante van 2.0 en 3.0 W/m·K een aanzienlijke invloed heeft op de materiaalkosten.

LED-padgeometrie: nauwkeurigheid van de voetafdruk en betrouwbaarheid van de soldeerverbindingen

De padgeometrie op aluminium LED-printplaten heeft een grotere impact dan op standaard FR-4-printplaten, omdat de thermische massa van de aluminium basis hoog is en de temperatuurregeling tijdens het reflow-proces lastiger is. Veelvoorkomende ontwerpfouten voor pads:

Te grote thermische pads : Een thermische pad die groter is dan de afmetingen van de thermische pad van de LED-behuizing creëert tijdens het reflow-proces een soldeerreservoir dat soldeer van de signaalpads kan onttrekken, waardoor er onvoldoende verbinding ontstaat tussen de signaal-, anode- en kathodepads. De afmetingen van de thermische pad moeten 0-0.1 mm per zijde groter zijn dan de afmetingen van de thermische pad van de behuizing, en niet 0.3-0.5 mm zoals soms wordt aangegeven voor FR-4.

Verhouding van de openingen in het soldeermasker : Gebruik voor grote thermische pads (>3 × 3 mm) een gesegmenteerde opening in het soldeermasker – meerdere kleinere openingen in plaats van één volledig blootgestelde pad – om het volume van de soldeerpasta te beheersen en luchtbellen te voorkomen. Streef naar een blootstelling van 50-70% van het koperoppervlak voor pads ≥ 9 mm².

Pad-coplanariteit : Aluminium printplaten met variaties in diëlektrische dikte vertonen lichte kromming tijdens het reflow-proces. Pad-coplanariteit van ≤0.05 mm is haalbaar met gecontroleerde diëlektrische dikte. Als uw printproces voor soldeerpasta afhankelijk is van een nauwkeurige coplanariteit, bespreek dit dan met de fabriek als een gecontroleerde specificatie. Onderzoek hoe het ontwerp van het soldeermasker op printplaten de assemblageopbrengst op substraten met een metalen kern beïnvloedt.

Diameter van de koperen printplaat voor LED-strings met hoge stroomsterkte

De IPC-2152-standaard (voorheen IPC-2221) biedt de referentie voor spoorbreedte versus stroomcapaciteit. Gebruik bij aluminium LED-printplaten de tabellen voor de interne laag in plaats van de externe laag, omdat het spoor zich aan de oppervlakte bevindt, maar de aluminium basis warmte van onderaf absorbeert, waardoor het thermische gedrag gedeeltelijk overeenkomt met dat van de interne laag.

Praktische richtlijnen voor de spoorbreedte van 1 oz koper op aluminium LED-printplaten, temperatuurstijging van 10°C:

Voor stromen boven de 5 A kunt u overschakelen naar koper van 2 oz of 3 oz. De benodigde spoorbreedte bij 1 oz voor 10 A (5 mm) neemt ruimte in beslag op de printplaat die beter gebruikt kan worden voor extra LED's in ontwerpen met een hoge dichtheid. Verken de ontwerpprincipes van printplaten met dik koper wanneer het kopergewicht meer dan 2 oz bedraagt.

Uitsluitingszones en kruipafstand voor geïntegreerde LED-drivers

Bij veel aluminium LED-printplaten is de LED-driver geïntegreerd op dezelfde printplaat als de LED-array. Hierdoor ontstaat een hoogspanningsgebied (ingangszijde driver: 100–350V AC of DC) naast de laagspannings-LED-string. Ontwerpregels:

Kruipafstand : IEC 60950-1 en IEC 62368-1 definiëren de kruip- en isolatieafstandseisen tussen hoogspannings- en laagspanningsgeleiders. Voor versterkte isolatie bij een werkspanning van 250 V wisselstroom is de minimale kruipafstand op een printplaat 6.4 mm (vervuilingsgraad 2, materiaalgroep IIIa). Op aluminium LED-printplaten, waar de aluminium basis zich op chassispotentiaal bevindt, is ook een kruipanalyse vereist voor de afstand van een stroomvoerende geleider tot de dichtstbijzijnde rand van de printplaat of het montagegat.

Hoogspanningsbeveiliging bij montagegaten : Aluminium montagegaten verbinden de basis met het chassis van het armatuur. Elke hoogspanningsleiding moet een kruip-/isolatieafstand tot deze gaten aanhouden, rekening houdend met de diameter van de geleidende bevestiging.

Thermische pads van driver-IC's : Sommige LED-driver-IC's hebben blootliggende thermische pads met een hoge spanning (niet massa). Controleer de padspanning voordat u soldeermaskeropeningen en koperlagen in de buurt van deze componenten definieert.

DFM-regels specifiek voor de lay-out van aluminium LED-printplaten

Ontwerpen voor maakbaarheid op aluminiumsubstraten verschilt op verschillende punten van FR-4:

Geen via's in thermische pads : In tegenstelling tot FR-4, waar soms via's in de pad met koperen vulling worden gebruikt, ondersteunen aluminium LED-printplaten geen verborgen of blinde via's. Alle routing moet in de enkele koperlaag plaatsvinden. Koperen vlakken en brede sporen vervangen de warmteverspreiding via via's.

Minimale ringafstand voor boren in aluminium : Door de slijtage van het boorgereedschap door aluminium is de boorafwijking iets groter dan bij FR-4. De minimale ringafstand voor doorgeplateerde gaten in aluminium LED-printplaten moet 0.25 mm zijn, en niet 0.15 mm zoals bij FR-4 acceptabel zou kunnen zijn.

Afstand tot V-score-lijnen : De standaardafstand tot V-score-lijnen is 0.5 mm voor componenten op FR-4-printplaten. Op aluminium kan de diepte van de V-score-lijnen variëren tot ±0.1 mm, en de aluminium inkeping veroorzaakt een lichte verstoring van het oppervlak. Verhoog de afstand tot V-score-lijnen naar 0.75 mm op aluminium LED-printplaten.

Randbeplating niet mogelijk : Aluminium LED-printplaten ondersteunen geen randbeplating. Alle elektrische verbindingen aan de rand van de printplaat moeten worden gemaakt via contactpunten die minimaal 0.5 mm van de rand af liggen.

Voor een volledige DFM-controle voordat u uw ontwerp voor productie indient, kunt u de PCB DFM-checklist als referentie gebruiken.

Checklist voor de overdracht van het ontwerp voor de fabricage van aluminium LED-printplaten.

Voordat u bestanden naar de fabrikant stuurt:

• Gerber-bestanden: koperlaag, soldeermaskerlaag, zeefdruklaag, printplaatcontouren (DXF of aparte Gerber-laag)
• Boorbestand: alle gaten met diameters, aanduiding geplateerd/niet-geplateerd
• Specificaties van de opbouw: aluminiumkwaliteit, dikte, diëlektrische Tc-waarde, kopergewicht, totale plaatdikte
• Specificatie oppervlakteafwerking: ENIG goud/nikkel dikte, of HASL/OSP
• Hoogspanningsvereiste
• IPC-klasse (2 of 3)
• Gecontroleerde specificaties: tolerantie voor diëlektrische dikte, tolerantie voor koperdikte
• Kleur en openingsverhouding van het soldeermasker op grote thermische pads
• Details over de afschuining of verzinking van het montagegat, indien nodig.

Het engineeringteam van Highleap Electronics voert een gratis DFM-review uit op de ingediende bestanden voordat een offerte wordt uitgebracht. Hierbij worden eventuele bovengenoemde problemen opgespoord voordat ze productiefouten of afgekeurde printplaten worden. De resultaten van de review worden binnen 1-2 werkdagen geretourneerd.

FAQ

Welke simulatietool moet ik gebruiken voor het thermisch ontwerp van aluminium LED-printplaten? ANSYS Icepak en Mentor FloTHERM zijn complete FEA-tools met materiaalbibliotheken voor MCPCB-diëlektrica. Voor snellere resultaten tijdens de eerste ontwerpfase bevatten de simulatietools van LED-fabrikanten (Lumileds SiteMap, OSRAM LED Expert) vereenvoudigde thermische modellen. Elke simulatie is beter dan geen simulatie – zelfs een spreadsheetmodel van de thermische weerstand tussen junctie en omgeving kan belangrijke ontwerpfouten opsporen vóór de prototyping.

Hoe moet ik de massa- en voedingsvlakken op een enkellaags aluminium LED-printplaat aanpakken? Enkellaags printplaten hebben geen massavlak in de traditionele zin zoals bij meerlaagse FR-4-printplaten. Voeding en massa (of stroomretour) moeten als aparte sporen worden aangelegd. Koperen vlakken op ongebruikte oppervlakken kunnen dienen als lokale stroomretourpaden, maar zijn niet elektrisch verbonden met de aluminium basis. De aluminium basis is ofwel chassis-massa ofwel zwevend, afhankelijk van het ontwerp van het armatuur – niet automatisch een circuitmassa.

Welke pad-afwerking moet ik specificeren voor COB LED-arrays op aluminium printplaten? ENIG is de juiste keuze voor COB (chip-on-board) LED-printplaatassemblage . Het vlakke, reproduceerbare oppervlak is essentieel voor de die-attach- en wirebonding-processen die bij COB-productie worden gebruikt. De oppervlaktevariatie van HASL is niet compatibel met de toleranties voor de bondhoogte bij COB-assemblage.

Hoe beïnvloedt de aluminium basis het SMT-reflowprofiel? De aluminium basis absorbeert warmte tijdens het opwarmen, waardoor een lagere opwarmsnelheid (maximaal 2 °C/s) en mogelijk een hogere piektemperatuur nodig zijn om een ​​adequate padtemperatuur te bereiken. De basis houdt ook warmte vast nadat de piektemperatuur is bereikt, waardoor de tijd boven het liquiduspunt langer wordt. Vraag uw assemblagepartner om een ​​specifiek reflowprofiel als u overstapt van FR-4 naar aluminium LED-printplaten.