Ghid de proiectare PCB cu LED-uri din aluminiu și DFM

Temperatura joncțiunii LED-urilor este singura variabilă care determină rata de depreciere a fluxului luminos, schimbarea culorii și timpul până la defectare. Totul în proiectarea PCB-urilor LED din aluminiu contribuie la temperatura joncțiunii sau o reduce. Un proiectant care înțelege lanțul termic de la joncțiune la temperatura ambientală poate lua decizii de amplasare care recuperează o marjă de 10-20°C de la un anumit radiator. Un proiectant care tratează PCB-ul ca pe un substrat de montare mecanică și lasă optimizarea termică în seama furnizorului de radiator restituie această marjă în mod inutil. Acest ghid acoperă deciziile de proiectare care contează.

Lanțul termic: Unde se duce căldura și unde se oprește

Navigare articol

1. Lanțul termic: Unde se duce căldura și unde se oprește
2. Executarea simulării termice înainte de a se angaja în design
3. Geometria plăcuței LED: Precizia amprentei și fiabilitatea îmbinării prin lipire
4. Lățimea traseului de cupru pentru șiruri de LED-uri de curent ridicat
5. Zone de izolare și distanță de conturnare pentru drivere LED integrate
6. Reguli DFM specifice pentru configurarea PCB-urilor cu LED-uri din aluminiu
7. Listă de verificare pentru predarea proiectării pentru fabricarea PCB-urilor cu LED-uri din aluminiu
8. FAQ

Căldura se transmite de la joncțiunea LED → carcasa LED → îmbinare de lipire → pad de cupru → strat dielectric → bază de aluminiu → radiator → mediu ambiant. Fiecare interfață are o valoare a rezistenței termice, iar PCB-ul contribuie la trei: rezistența îmbinării de lipire, interfața cupru-dielectric și stratul dielectric în sine.

Rezistența dielectrică este termenul termic dominant pe PCB:

• La 1.0 W/m·K, dielectric de 100 µm: θ_dielectric ≈ 1.0°C/W per cm² de suprafață a pad-ului
• La 2.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielectric ≈ 0.5°C/W pe cm²
• La 3.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielectric ≈ 0.33°C/W pe cm²

Pentru un LED de 3W pe o placă de circuit de 3 × 3 mm, diferența dintre 1.0 și 3.0 W/m·K dielectric este de aproximativ 5°C la temperatura joncțiunii la nivelul matriței. Scalând această diferență pe un corp de iluminat de 150W cu 50 de LED-uri, impactul la nivel de sistem este semnificativ.

Baza de aluminiu adaugă o rezistență termică neglijabilă dacă are o grosime adecvată (≥1.0 mm) și interfața cu radiatorul utilizează un TIM (material de interfață termică) adecvat. Interfața dintre bază și radiator reprezintă adesea cea mai mare rezistență termică din ansamblu - dar aceasta este în afara controlului direct al proiectantului de PCB.

Executarea simulării termice înainte de a se angaja în design

Simularea termică înainte de configurarea PCB-ului previne două erori costisitoare: construirea unei plăci care nu se poate răci corespunzător la puterea nominală și supraespecificarea dielectricului cu costuri inutile.

Intrări FEA pentru simularea PCB-ului cu LED-uri din aluminiu:

• Rezistența termică a pachetului LED (θ_j-s, din fișa tehnică)
• Putere LED directă la curentul de funcționare
• Dimensiunile plăcuței și ale stropilor termici
• Gradul și grosimea dielectricului (acesta este parametrul pentru care rezolvați)
• Dimensiuni și aliaj de bază din aluminiu
• Rezistența radiatorului și valoarea TIM a interfeței de montare
• Temperatura ambiantă (în cel mai rău caz: de obicei 50–60°C pentru corpurile de iluminat închise)

Ce vă spune rezultatul simulării:

• Temperatura maximă a joncțiunii LED - comparație cu valoarea nominală T_j (de obicei 125–150°C pentru pachetele LED moderne)
• Puncte fierbinți de la gruparea LED-urilor — dacă LED-urile sunt plasate prea aproape, rezistența termică de la sursele de căldură LED învecinate crește temperatura joncțiunii
• Tc dielectric necesar pentru a rămâne în limita temperaturii joncțiunii

Highleap Electronics oferă asistență pentru simularea termică MCPCB pentru clienții care trebuie să valideze specificațiile stivei lor înainte de a se angaja în producție. Acest lucru este util în special atunci când alegerea între un dielectric de 2.0 și 3.0 W/m·K afectează semnificativ costul materialelor.

Geometria plăcuței LED: Precizia amprentei și fiabilitatea îmbinării prin lipire

Geometria pad-urilor pe PCB-urile LED din aluminiu are consecințe mai stricte decât pe FR-4 standard, deoarece masa termică a bazei de aluminiu este mare, iar controlul temperaturii de reflow este mai dificil. Erori frecvente de proiectare a pad-urilor:

Placuțe termice supradimensionate : O placă termică mai mare decât amprenta plăcuței LED creează un rezervor de lipire în timpul reflow-ului, care poate absorbi lipirea de pe plăcuțele de semnal, provocând o formare insuficientă a îmbinărilor la plăcuțele de semnal/anod/catod. Dimensionați placa termică cu 0–0.1 mm pe latură mai mare decât placa termică a pachetului, nu cu 0.3–0.5 mm, așa cum este specificat uneori pentru FR-4.

Raportul de deschidere al măștii de lipire : Pentru plăcuțe termice mari (>3 × 3 mm), utilizați o deschidere a măștii de lipire segmentată — mai multe deschideri mai mici în loc de o plăcuță complet expusă — pentru a controla volumul pastei și a preveni golirea. Țintiți o expunere a suprafeței de cupru de 50-70% pentru plăcuțe ≥ 9 mm².

Coplanaritatea pad-urilor : Plăcile de aluminiu cu variații ale grosimii dielectricului se deformează ușor în timpul reflow-ului. O coplanaritate a pad-urilor ≤0.05 mm este realizabilă cu o grosime dielectrică controlată. Dacă imprimarea în pastă se bazează pe o coplanaritate strânsă, discutați acest lucru cu fabrica ca o specificație controlată. Examinați modul în care designul măștii de lipire pe PCB-uri afectează randamentul asamblării pe substraturi cu miez metalic.

Lățimea traseului de cupru pentru șiruri de LED-uri de curent ridicat

Standardul IPC-2152 (fostul IPC-2221) oferă referința pentru lățimea urmei în funcție de capacitatea curentului. Pe plăcile cu circuite imprimate cu LED-uri din aluminiu, utilizați tabelele de urme ale stratului intern mai degrabă decât stratul extern - deoarece urmele sunt la suprafață, dar baza de aluminiu absoarbe căldura de dedesubt, replicând parțial comportamentul termic al stratului intern.

Instrucțiuni practice privind lățimea urmei pentru 1 g de cupru pe PCB-uri LED din aluminiu, creștere de 10°C:

Pentru curenți peste 5 A, treceți la cupru de 2 oz sau 3 oz. Lățimea traseului necesară la 1 oz pentru 10 A (5 mm) consumă o zonă de amplasare care este mai bine utilizată pentru LED-uri suplimentare în designuri de înaltă densitate. Explorați principiile de proiectare a PCB-urilor din cupru greu atunci când greutatea cuprului depășește 2 oz.

Zone de izolare și distanță de conturnare pentru drivere LED integrate

Multe modele de PCB-uri cu LED-uri din aluminiu integrează circuitele driverului LED pe aceeași placă ca și matricea de LED-uri. Aceasta creează o regiune de înaltă tensiune (partea de intrare a driverului: 100–350V AC sau DC) adiacentă șirului de LED-uri de joasă tensiune. Reguli de proiectare:

Distanța de conturnare : IEC 60950-1 și IEC 62368-1 definesc cerințele privind distanța de conturnare și distanța de aer între conductorii de înaltă tensiune și cei de joasă tensiune. Pentru izolație ranforsată la o tensiune de funcționare de 250V AC, distanța minimă de conturnare pe un PCB este de 6.4 mm (grad de poluare 2, grupa de materiale IIIa). La PCB-urile cu LED-uri din aluminiu, unde baza de aluminiu este la potențialul șasiului, distanța de la orice conductor sub tensiune până la cea mai apropiată margine a plăcii sau orificiu de montare necesită, de asemenea, o analiză a distanței de conturnare.

Distanța de înaltă tensiune față de găurile de montare : Găurile de montare din aluminiu conectează baza la șasiul dispozitivului de iluminat. Orice pistă de înaltă tensiune trebuie să mențină o distanță de conturnare/aerisire față de aceste găuri, ținând cont de diametrul elementului de fixare conductiv.

Placuțe termice ale circuitelor integrate de driver : Unele circuite integrate de driver LED au plăcuțe termice expuse la potențial de tensiune ridicată (nu la masă). Verificați tensiunea plăcuțelor înainte de a defini deschiderile măștii de lipire și turnările de cupru în apropierea acestor componente.

Reguli DFM specifice pentru configurarea PCB-urilor cu LED-uri din aluminiu

Proiectarea pentru fabricabilitate pe substraturi de aluminiu diferă de FR-4 în mai multe aspecte:

Fără via-uri în plăcuțele termice : Spre deosebire de FR-4, unde uneori se utilizează via-in-pad cu umplutură de cupru, PCB-urile LED din aluminiu nu acceptă via-uri îngropate sau oarbe. Toată rutarea trebuie realizată într-un singur strat de cupru. Turnările de cupru și traseele largi înlocuiesc răspândirea căldurii bazate pe via-uri.

Inelul inelar minim pentru găurirea aluminiului : Din cauza abraziunii aluminiului asupra sculelor de găurire, derapajul găurii este puțin mai mare decât la FR-4. Inelul inelar minim pentru găurile placate pe PCB-urile cu LED-uri din aluminiu ar trebui să fie de 0.25 mm, nu de 0.15 mm, așa cum ar putea fi acceptabil la FR-4.

Distanța standard pentru componente față de liniile de scor V : Distanța standard pentru componentele cu scor V este de 0.5 mm pentru componentele de pe FR-4. Pe aluminiu, variația adâncimii lamei cu scor V poate fi de ±0.1 mm, iar scorul din aluminiu creează o ușoară perturbare a suprafeței. Măriți distanța pentru componente față de liniile de scor V la 0.75 mm pe PCB-urile cu LED-uri din aluminiu.

Placarea pe margini nu este disponibilă : PCB-urile LED din aluminiu nu acceptă placarea pe margini. Orice conexiune electrică necesară la marginea plăcii trebuie realizată prin intermediul unor plăcuțe trase înapoi de margine cu ≥0.5 mm.

Pentru o analiză completă a DFM înainte de a trimite proiectul pentru producție, utilizați lista de verificare DFM pentru PCB ca referință prealabilă trimiterii.

Listă de verificare pentru predarea proiectării pentru fabricarea PCB-urilor cu LED-uri din aluminiu

Înainte de a trimite fișierele către producător:

• Fișiere Gerber: strat de cupru, partea superioară a măștii de lipire, partea superioară serigrafiată, conturul plăcii (DXF sau strat Gerber dedicat)
• Pilă de burghiu: toate găurile cu diametre, denumire placată/neplacată
• Specificații de stivuire: calitatea aluminiului, grosimea, calitatea dielectricului Tc, greutatea cuprului, grosimea totală a plăcii
• Specificații finisaj suprafață: grosime ENIG aur/nichel sau HASL/OSP
• Cerința de tensiune Hi-pot
• Clasa IPC (2 sau 3)
• Specificații controlate: toleranță la grosimea dielectricului, toleranță la grosimea cuprului
• Culoarea măștii de lipit și raportul de deschidere pe plăcuțele termice mari
• Detalii privind teșitura sau adâncitura orificiului de montare, dacă este necesar

Echipa de ingineri de la Highleap Electronics efectuează o analiză DFM gratuită a fișierelor trimise înainte de a emite o ofertă, identificând oricare dintre problemele menționate mai sus înainte ca acestea să se transforme în defecte de producție sau plăci respinse. Analiza este returnată în termen de 1-2 zile lucrătoare.

FAQ

Ce instrument de simulare ar trebui să utilizez pentru proiectarea termică a PCB-urilor cu LED-uri din aluminiu? ANSYS Icepak și Mentor FloTHERM sunt instrumente complete FEA cu biblioteci de materiale pentru dielectrici MCPCB. Pentru rezultate mai rapide în timpul proiectării inițiale, instrumentele de simulare ale producătorilor de LED-uri (Lumileds SiteMap, OSRAM LED Expert) includ modele termice simplificate. Orice simulare este mai bună decât nicio simulare - chiar și un model de foaie de calcul al rezistenței termice joncțiune-ambient detectează erorile majore de proiectare înainte de prototipare.

Cum gestionez planurile de masă și de alimentare pe un PCB LED din aluminiu cu un singur strat? Plăcile cu un singur strat nu au un plan de masă în sensul tradițional FR-4 multistrat. Alimentarea și împământarea (sau returul curentului) trebuie rutate ca trasee separate. Turnările de cupru pe zona neutilizată pot servi ca căi locale de retur al curentului, dar nu sunt conectate electric la baza de aluminiu. Baza de aluminiu este fie împământată la șasiu, fie flotantă, în funcție de designul dispozitivului de iluminat - nu este automat o împământare a circuitului.

Ce finisaj al plăcuței ar trebui să specific pentru matricele LED COB pe plăci de aluminiu? ENIG este alegerea corectă pentru asamblarea PCB-urilor cu LED-uri COB (chip-on-board) . Suprafața plană și reproductibilă este esențială pentru procesele de atașare a matrițelor și de lipire a firelor utilizate în producția de COB. Variația suprafeței HASL este incompatibilă cu toleranțele de înălțime a legăturii în asamblarea COB.

Cum afectează baza de aluminiu profilul de reflow SMT? Baza de aluminiu absoarbe căldura în timpul creșterii, necesitând o rată de creștere mai lentă (maxim 2°C/s) și o temperatură potențial mai ridicată în zona de vârf pentru a atinge o temperatură adecvată a pad-ului. De asemenea, baza reține căldura după părăsirea zonelor de vârf, prelungind timpul deasupra lichidusului. Solicitați un profil de reflow dedicat de la partenerul dvs. de asamblare dacă treceți de la FR-4 la PCB-uri LED din aluminiu.