Projektowanie płytek PCB LED z aluminium i przewodnik DFM

Temperatura złącza LED to jedyny czynnik, który decyduje o tempie spadku strumienia świetlnego, przesunięciu barwy i czasie do awarii. Wszystkie elementy projektu aluminiowych płytek PCB LED wpływają na temperaturę złącza lub ją obniżają. Projektant, który rozumie łańcuch temperaturowy od złącza do otoczenia, może podejmować decyzje dotyczące układu, które pozwalają na odzyskanie 10–20°C marginesu bezpieczeństwa z danego radiatora. Projektant, który traktuje płytkę PCB jako mechaniczne podłoże montażowe i pozostawia optymalizację termiczną producentowi radiatora, niepotrzebnie traci ten margines. Ten przewodnik omawia istotne decyzje projektowe.

Łańcuch termiczny: dokąd ucieka ciepło i gdzie się zatrzymuje

Artykuł Nawigacja

1. Łańcuch termiczny: dokąd ucieka ciepło i gdzie się zatrzymuje
2. Uruchamianie symulacji termicznej przed przystąpieniem do projektowania układu
3. Geometria podkładek LED: dokładność odbicia i niezawodność połączeń lutowanych
4. Szerokość ścieżki miedzianej dla łańcuchów LED o dużym natężeniu prądu
5. Strefy wykluczone i droga upływu dla zintegrowanych sterowników LED
6. Zasady DFM dotyczące układu płytek PCB LED aluminiowych
7. Lista kontrolna przekazania projektu dla produkcji płytek PCB LED z aluminium
8. FAQ

Przepływ ciepła odbywa się ze złącza LED → obudowy LED → połączenia lutowanego → padu miedzianego → warstwy dielektrycznej → aluminiowej podstawy → radiatora → otoczenia. Każdy interfejs ma określoną wartość rezystancji termicznej, a płytka PCB ma trzy wartości: rezystancję połączenia lutowanego, interfejs miedź-dielektryk i samą warstwę dielektryczną.

Odporność na działanie dielektryczne jest dominującym terminem termicznym PCB:

• Przy 1.0 W/m·K, dielektryk 100 µm: θ_dielektryk ≈ 1.0°C/W na cm² powierzchni podkładki
• Przy 2.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielektryk ≈ 0.5°C/W na cm²
• Przy 3.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielektryk ≈ 0.33°C/W na cm²

W przypadku diody LED o mocy 3 W na płytce 3 × 3 mm różnica między dielektrykiem 1.0 a 3.0 W/m·K wynosi około 5°C temperatury złącza na rdzeniu. Skalując to w oprawie o mocy 150 W z 50 diodami LED, widać znaczący wpływ na cały system.

Aluminiowa podstawa dodaje znikomy opór cieplny, jeśli jest odpowiednio gruba (≥1.0 mm), a styk z radiatorem wykorzystuje odpowiedni materiał termoprzewodzący (TIM). Połączenie podstawy z radiatorem często stanowi największy opór cieplny w całym zespole — ale pozostaje poza bezpośrednią kontrolą projektanta PCB.

Uruchamianie symulacji termicznej przed przystąpieniem do projektowania układu

Symulacja termiczna przed projektowaniem płytki PCB zapobiega dwóm kosztownym błędom: zbudowaniu płytki, która nie będzie w stanie odpowiednio chłodzić przy znamionowym poborze mocy oraz stosowaniu zbyt wysokich parametrów dielektryka, co wiąże się z niepotrzebnymi kosztami.

Dane wejściowe FEA do symulacji aluminiowych płytek PCB LED:

• Rezystancja termiczna obudowy diody LED (θ_j-s, z arkusza danych)
• Moc przewodzenia diody LED przy prądzie roboczym
• Wymiary podkładki i ślimaka termicznego
• Klasa dielektryczna i grubość (to jest parametr, który obliczasz)
• Wymiary podstawy aluminiowej i stopu
• Rezystancja radiatora i wartość TIM interfejsu montażowego
• Temperatura otoczenia (w najgorszym przypadku: zwykle 50–60°C w przypadku opraw zamkniętych)

Co mówi wynik symulacji:

• Maksymalna temperatura złącza LED — porównaj z wartością znamionową T_j (zwykle 125–150°C w przypadku nowoczesnych pakietów LED)
• Gorące punkty spowodowane skupiskiem diod LED — jeśli diody LED są umieszczone zbyt blisko siebie, opór cieplny ze strony sąsiednich źródeł ciepła diod LED zwiększa temperaturę złącza
• Wymagana wartość Tc dielektryka, aby utrzymać się w ramach budżetu temperatury złącza

Highleap Electronics zapewnia Symulacja termiczna MCPCB Wsparcie dla klientów, którzy muszą zweryfikować specyfikację swojego stosu przed rozpoczęciem produkcji. Jest to szczególnie przydatne, gdy wybór między dielektrykiem 2.0 a 3.0 W/m·K znacząco wpływa na koszt materiału.

Geometria podkładek LED: dokładność odbicia i niezawodność połączeń lutowanych

Geometria padów w aluminiowych płytkach PCB LED ma bardziej rygorystyczne konsekwencje niż w standardowych płytkach FR-4, ponieważ aluminiowa baza ma dużą masę termiczną, a kontrola temperatury lutowania rozpływowego jest trudniejsza. Typowe błędy w projektowaniu padów:

Nadwymiarowe podkładki termiczne:Podkładka termiczna większa niż średnica otworu w obudowie diody LED tworzy podczas lutowania rozpływowego zbiornik lutu, który może odciągać lut z pól sygnałowych, powodując niewystarczające połączenie na polach sygnałowych/anodowych/katodowych. Podkładka termiczna powinna mieć rozmiar o 0–0.1 mm większy z każdej strony niż średnica otworu w obudowie, a nie o 0.3–0.5 mm, jak to czasami określa się dla FR-4.

Współczynnik otwarcia maski lutowniczejW przypadku dużych padów termicznych (>3 × 3 mm) należy stosować segmentowe otwory w masce lutowniczej – kilka mniejszych otworów zamiast jednego całkowicie odsłoniętego padu – aby kontrolować objętość pasty i zapobiegać powstawaniu pustych przestrzeni. W przypadku padów ≥ 9 mm² należy dążyć do odsłonięcia 50–70% powierzchni miedzi.

Współpłaszczyznowość padów:Płytki aluminiowe o zmiennej grubości dielektryka ulegają lekkiemu odkształceniu podczas lutowania rozpływowego. Współpłaszczyznowość padów ≤0.05 mm jest możliwa przy kontrolowanej grubości dielektryka. Jeśli drukowanie pastą wymaga ścisłej współpłaszczyznowości, należy to omówić z fabryką jako kontrolowaną specyfikację. Sprawdź, jak projektowanie maski lutowniczej na płytkach PCB wpływa na wydajność montażu na podłożach z rdzeniem metalowym.

Szerokość ścieżki miedzianej dla łańcuchów LED o dużym natężeniu prądu

Norma IPC-2152 (dawniej IPC-2221) stanowi odniesienie do szerokości ścieżki w funkcji wydajności prądowej. W przypadku aluminiowych płytek PCB LED należy korzystać z tabel ścieżek dla warstwy wewnętrznej, a nie zewnętrznej – ponieważ ścieżka znajduje się na powierzchni, a aluminiowa podstawa pochłania ciepło od spodu, częściowo odzwierciedlając zachowanie termiczne warstwy wewnętrznej.

Praktyczne wytyczne dotyczące szerokości ścieżki dla 1 uncji miedzi na aluminiowych płytkach PCB LED przy wzroście temperatury 10°C:

W przypadku prądów powyżej 5 A należy zastosować miedź o grubości 2 uncji lub 3 uncji. Szerokość ścieżki wymagana przy 1 uncji dla 10 A (5 mm) zajmuje obszar, który lepiej wykorzystać na dodatkowe diody LED w projektach o dużej gęstości. projekt PCB z grubej miedzi zasady, gdy masa miedzi przekracza 2 uncje.

Strefy wykluczone i droga upływu dla zintegrowanych sterowników LED

Wiele aluminiowych płytek PCB LED integruje obwód sterownika LED na tej samej płytce co matryca LED. Tworzy to obszar wysokiego napięcia (strona wejściowa sterownika: 100–350 V AC lub DC) sąsiadujący z niskonapięciowym ciągiem LED. Zasady projektowania:

Droga upływuNormy IEC 60950-1 i IEC 62368-1 definiują wymagania dotyczące upływu i odstępu między przewodami wysokiego i niskiego napięcia. W przypadku wzmocnionej izolacji przy napięciu roboczym 250 V AC minimalna droga upływu na płytce PCB wynosi 6.4 mm (stopień zanieczyszczenia 2, grupa materiałowa IIIa). W przypadku aluminiowych płytek PCB LED, w których aluminiowa podstawa znajduje się pod napięciem, odległość od dowolnego przewodu pod napięciem do najbliższej krawędzi płytki lub otworu montażowego również wymaga analizy upływu.

Zabezpieczenie przed wysokim napięciem w otworach montażowych:Aluminiowe otwory montażowe łączą podstawę z obudową oprawy. Każda ścieżka wysokiego napięcia musi zachować odstęp izolacyjny od tych otworów, uwzględniając średnicę przewodzącego elementu mocującego.

Podkładki termiczne układu scalonego sterownika: Niektóre układy scalone sterowników LED mają odsłonięte pady termiczne o wysokim potencjale (nie uziemienia). Przed zdefiniowaniem otworów w masce lutowniczej i wylewów miedzi w pobliżu tych elementów należy sprawdzić napięcie padów.

Zasady DFM dotyczące układu płytek PCB LED aluminiowych

Projektowanie pod kątem możliwości produkcji na podłożach aluminiowych różni się od FR-4 w kilku obszarach:

Brak przelotek w podkładkach termicznychW przeciwieństwie do FR-4, gdzie czasami stosuje się przelotki w polach lutowniczych z wypełnieniem miedzianym, aluminiowe płytki LED nie obsługują przelotek zakopanych ani ślepych. Wszystkie połączenia muszą być wykonane w pojedynczej warstwie miedzi. Wylewki miedziane i szerokie ścieżki zastępują rozpraszanie ciepła oparte na przelotkach.

Minimalny pierścień pierścieniowy do wiercenia w aluminium:Ze względu na ścieranie się narzędzi wiertniczych przez aluminium, błąd wiercenia jest nieco większy niż w przypadku FR-4. Minimalna średnica pierścienia dla otworów przelotowych metalizowanych w aluminiowych płytkach PCB LED powinna wynosić 0.25 mm, a nie 0.15 mm, co jest dopuszczalne w przypadku FR-4.

Komponenty odsunięte od linii V-scoreStandardowy odstęp od linii V wynosi 0.5 mm dla komponentów na płycie FR-4. Na aluminium wahania głębokości linii V mogą wynosić ±0.1 mm, a nacięcie aluminium powoduje lekkie uszkodzenie powierzchni. Zwiększ odstęp od linii V do 0.75 mm na aluminiowych płytkach PCB LED.

Pokrycie krawędzi niedostępne:Aluminiowe płytki PCB LED nie obsługują platerowania krawędziowego. Wszelkie połączenia elektryczne na krawędzi płytki muszą być wykonane za pomocą padów odsuniętych od krawędzi o ≥0.5 mm.

Aby przeprowadzić pełną kontrolę DFM przed przekazaniem projektu do produkcji, skorzystaj z Lista kontrolna PCB DFM jako punkt odniesienia przed złożeniem wniosku.

Lista kontrolna przekazania projektu dla produkcji płytek PCB LED z aluminium

Przed wysłaniem plików do producenta:

• Pliki Gerber: warstwa miedzi, warstwa maski lutowniczej, warstwa sitodruku, obrys płytki (DXF lub dedykowana warstwa Gerber)
• Plik wiertniczy: wszystkie otwory ze średnicami, oznaczeniem platerowane/nieplaterowane
• Specyfikacja stosu: gatunek aluminium, grubość, gatunek dielektryka Tc, masa miedzi, całkowita grubość płytki
• Specyfikacja wykończenia powierzchni: grubość ENIG złota/niklu lub HASL/OSP
• Wymagania dotyczące wysokiego napięcia
• Klasa IPC (2 lub 3)
• Kontrolowane specyfikacje: tolerancja grubości dielektryka, tolerancja grubości miedzi
• Kolor maski lutowniczej i współczynnik otwarcia na dużych podkładkach termicznych
• Szczegóły dotyczące fazowania lub pogłębienia otworu montażowego, jeśli są wymagane

Zespół inżynierów Highleap Electronics wykonuje bezpłatna recenzja DFM Przed wyceną sprawdzamy przesłane pliki, identyfikując wszelkie powyższe problemy, zanim staną się wadami produkcyjnymi lub odrzuconymi płytkami. Recenzja jest zwracana w ciągu 1–2 dni roboczych.

FAQ

Jakiego narzędzia symulacyjnego powinienem użyć do projektowania termicznego aluminiowych płytek PCB LED? ANSYS Icepak i Mentor FloTHERM to kompletne narzędzia MES z bibliotekami materiałów dla dielektryków MCPCB. Aby przyspieszyć proces projektowania, narzędzia do symulacji producentów diod LED (Lumileds SiteMap, OSRAM LED Expert) zawierają uproszczone modele termiczne. Każda symulacja jest lepsza niż żadna — nawet model rezystancji termicznej złącza do otoczenia w arkuszu kalkulacyjnym pozwala wykryć poważne błędy projektowe przed prototypowaniem.

Jak postępować z płaszczyznami uziemienia i zasilania na jednowarstwowej aluminiowej płytce PCB LED? Płytki jednowarstwowe nie posiadają płaszczyzny uziemienia w tradycyjnym wielowarstwowym rozumieniu FR-4. Przewody zasilania i masy (lub powrotu prądu) muszą być prowadzone oddzielnymi ścieżkami. Miedziane wylewki na niewykorzystanym obszarze mogą służyć jako lokalne ścieżki powrotu prądu, ale nie są połączone elektrycznie z aluminiową podstawą. Aluminiowa podstawa jest albo uziemiona (chain ground) albo pływająca, w zależności od konstrukcji oprawy – nie jest to automatycznie uziemienie obwodu.

Jakie wykończenie padu powinienem określić dla tablic LED COB na płytkach aluminiowych? ENIG jest właściwym wyborem dla COB (chip-on-board) Montaż PCB LEDPłaska, powtarzalna powierzchnia jest niezbędna do mocowania matryc i łączenia drutów w procesie produkcji COB. Zmienność powierzchni HASL jest niezgodna z tolerancjami wysokości łączenia w montażu COB.

Jak podstawa aluminiowa wpływa na profil rozpływowy SMT? Aluminiowa podstawa pochłania ciepło podczas nagrzewania, co wymaga wolniejszego tempa nagrzewania (maksymalnie 2°C/s) i potencjalnie wyższej temperatury w strefie szczytowej, aby osiągnąć odpowiednią temperaturę padu. Podstawa zatrzymuje również ciepło po opuszczeniu stref szczytowych, wydłużając czas powyżej temperatury likwidus. W przypadku przejścia z FR-4 na aluminiowe płytki LED poproś swojego partnera montażowego o dedykowany profil lutowania rozpływowego.