Руководство по проектированию и DFM-моделированию алюминиевых светодиодных печатных плат

Температура перехода светодиода — это единственная переменная, определяющая скорость снижения светового потока, изменение цвета и время до отказа. В конструкции алюминиевых светодиодных печатных плат все факторы либо влияют на температуру перехода, либо снижают её. Разработчик, понимающий тепловую цепь от перехода до окружающей среды, может принимать решения по компоновке, позволяющие компенсировать 10–20 °C запаса прочности за счёт используемого радиатора. Разработчик, рассматривающий печатную плату как подложку для механического монтажа и оставляющий оптимизацию теплоотвода производителю радиатора, теряет этот запас прочности без необходимости. В этом руководстве рассматриваются важные проектные решения.

Тепловая цепь: куда уходит тепло и где оно задерживается.

Навигация по статьям

1. Тепловая цепь: куда уходит тепло и где оно задерживается.
2. Перед утверждением компоновки выполните моделирование тепловых процессов.
3. Геометрия контактных площадок светодиодов: точность расположения элементов и надежность паяных соединений.
4. Ширина медной дорожки для сильноточных светодиодных лент
5. Зоны запрета и расстояние утечки для встроенных светодиодных драйверов
6. Правила проектирования с учетом технологичности производства (DFM), специфичные для компоновки алюминиевых светодиодных печатных плат.
7. Контрольный список для передачи проекта при изготовлении алюминиевых светодиодных печатных плат
8. FAQ

Тепло передается от перехода светодиода → корпус светодиода → паяное соединение → медная контактная площадка → диэлектрический слой → алюминиевое основание → радиатор → окружающая среда. Каждый интерфейс имеет значение теплового сопротивления, и печатная плата вносит свой вклад в три параметра: сопротивление паяного соединения, сопротивление границы раздела медь-диэлектрик и сопротивление самого диэлектрического слоя.

Диэлектрическое сопротивление является основным параметром, определяющим тепловые характеристики печатных плат:

• При чувствительности 1.0 Вт/м·К и диэлектрической проницаемости 100 мкм: θ_dielectric ≈ 1.0 °C/Вт на см² площади контактной площадки.
• При 2.0 Вт/м·К, 100 мкм: θ_диэлектрическая проницаемость ≈ 0.5°C/Вт на см²
• При 3.0 Вт/м·К, 100 мкм: θ_диэлектрическая проницаемость ≈ 0.33°C/Вт на см²

Для светодиода мощностью 3 Вт на площадке размером 3 × 3 мм разница между диэлектрической проницаемостью 1.0 и 3.0 Вт/м·К составляет приблизительно 5 °C температуры перехода на кристалле. Если масштабировать это на светильник мощностью 150 Вт с 50 светодиодами, то влияние на уровне всей системы будет значительным.

Алюминиевое основание оказывает незначительное тепловое сопротивление, если оно достаточно толстое (≥1.0 мм), а для соединения с радиатором используется соответствующий термоинтерфейсный материал (TIM). Соединение основания с радиатором часто является источником наибольшего теплового сопротивления в сборке, но это находится вне прямого контроля разработчика печатной платы.

Перед утверждением компоновки выполните моделирование тепловых процессов.

Предварительное моделирование тепловых характеристик печатной платы позволяет избежать двух дорогостоящих ошибок: создания платы, которая не сможет адекватно охлаждаться при номинальной мощности, и чрезмерного выбора диэлектрика, что влечет за собой неоправданные затраты.

Входные данные для конечно-элементного анализа (FEA) при моделировании алюминиевой светодиодной печатной платы:

• Тепловое сопротивление корпуса светодиода (θ_j-s, согласно техническим характеристикам)
• Прямая мощность светодиода при рабочем токе
• Размеры прокладки и термопластинки
• Диэлектрический класс и толщина (это параметр, который вы ищете).
• Размеры и сплав алюминиевого основания
• Сопротивление радиатора и значение термоинтерфейса для монтажа.
• Температура окружающей среды (в худшем случае: обычно 50–60 °C для светильников закрытого типа)

Что показывают результаты моделирования:

• Максимальная температура перехода светодиода — сравните с номинальным значением T_j (обычно 125–150 °C для современных светодиодных корпусов).
• При слишком близком расположении светодиодов возникают горячие точки, поскольку тепловое сопротивление от соседних источников тепла увеличивает температуру перехода.
• Требуемая температура диэлектрика Tc для удержания в пределах температурного диапазона перехода.

Компания Highleap Electronics предоставляет услуги по тепловому моделированию многослойных печатных плат (MCPCB) для клиентов, которым необходимо подтвердить соответствие спецификации своей структуры перед запуском в производство. Это особенно полезно, когда выбор между диэлектрической проницаемостью 2.0 и 3.0 Вт/м·К существенно влияет на стоимость материалов.

Геометрия контактных площадок светодиодов: точность расположения элементов и надежность паяных соединений.

Геометрия контактных площадок на алюминиевых светодиодных печатных платах имеет более жесткие последствия, чем на стандартных платах FR-4, поскольку тепловая инерция алюминиевого основания велика, а контроль температуры припоя затруднен. Распространенные ошибки проектирования контактных площадок:

Увеличенные тепловые площадки : Тепловая площадка, размер которой превышает размер контактной площадки корпуса светодиода, создает резервуар для припоя во время оплавления, который может впитывать припой с сигнальных площадок, вызывая недостаточное образование паяного соединения на сигнальных/анодных/катодных площадках. Размер тепловой площадки должен быть на 0–0.1 мм с каждой стороны больше, чем размер тепловой площадки корпуса, а не на 0.3–0.5 мм, как иногда указывается для FR-4.

Соотношение размеров отверстий в паяльной маске : Для больших тепловых площадок (>3 × 3 мм) используйте сегментированные отверстия в паяльной маске — несколько меньших отверстий вместо одной полностью открытой площадки — чтобы контролировать объем пасты и предотвратить образование пустот. Целевая площадь открытой медной поверхности для площадок ≥ 9 мм² должна составлять 50–70%.

Соосность контактных площадок : Алюминиевые платы с вариациями толщины диэлектрика слегка деформируются во время оплавления. Соосность контактных площадок ≤0.05 мм достижима при контролируемой толщине диэлектрика. Если для нанесения пасты требуется высокая соосность, обсудите это с заводом-изготовителем в качестве обязательной спецификации. Изучите, как конструкция паяльной маски на печатных платах влияет на выход годных изделий при сборке на металлических подложках.

Ширина медной дорожки для сильноточных светодиодных лент

Стандарт IPC-2152 (ранее IPC-2221) предоставляет эталонные значения ширины дорожек в зависимости от допустимой токовой нагрузки. На алюминиевых светодиодных печатных платах следует использовать таблицы внутренних дорожек, а не внешних, поскольку дорожка находится на поверхности, но алюминиевое основание поглощает тепло снизу, частично имитируя тепловое поведение внутреннего слоя.

Практические рекомендации по ширине дорожек для светодиодных печатных плат с медным покрытием толщиной 1 унция на алюминии при повышении температуры на 10°C:

Для токов выше 5 А переходите на медь толщиной 2 или 3 унции. Ширина дорожки, необходимая при толщине меди 1 унция для тока 10 А (5 мм), занимает место, которое лучше использовать для дополнительных светодиодов в схемах с высокой плотностью размещения. При толщине меди более 2 унций следует изучить принципы проектирования печатных плат с использованием толстой медной прослойки .

Зоны запрета и расстояние утечки для встроенных светодиодных драйверов

Во многих конструкциях алюминиевых светодиодных печатных плат схема драйвера светодиодов размещается на той же плате, что и массив светодиодов. Это создает область высокого напряжения (вход драйвера: 100–350 В переменного или постоянного тока) рядом с низковольтной светодиодной цепочкой. Правила проектирования:

Расстояние утечки : стандарты IEC 60950-1 и IEC 62368-1 определяют требования к расстоянию утечки и зазорам между высоковольтными и низковольтными проводниками. Для усиленной изоляции при рабочем напряжении 250 В переменного тока минимальное расстояние утечки на печатной плате составляет 6.4 мм (степень загрязнения 2, группа материалов IIIa). На алюминиевых светодиодных печатных платах, где алюминиевое основание находится под потенциалом шасси, также требуется анализ расстояния утечки от любого токоведущего проводника до ближайшего края платы или монтажного отверстия.

Защита от высоковольтного тока в монтажных отверстиях : алюминиевые монтажные отверстия соединяют основание со шасси светильника. Любая высоковольтная дорожка должна обеспечивать расстояние утечки/зазор от этих отверстий с учетом диаметра проводящего крепежного элемента.

Термоконтакты микросхем драйверов : У некоторых микросхем драйверов светодиодов термоконтакты находятся под высоким напряжением (а не на земле). Перед определением отверстий в паяльной маске и медных заливок вблизи этих компонентов проверьте напряжение на контактных площадках.

Правила проектирования с учетом технологичности производства (DFM), специфичные для компоновки алюминиевых светодиодных печатных плат.

Конструкция, разработанная с учетом технологичности производства на алюминиевых подложках, отличается от конструкции на подложках из FR-4 по нескольким параметрам:

Отсутствие переходных отверстий в теплоотводящих площадках : В отличие от FR-4, где иногда используются переходные отверстия в площадке с медным заполнением, алюминиевые светодиодные печатные платы не поддерживают скрытые или глухие переходные отверстия. Вся трассировка должна выполняться в одном медном слое. Медные заливки и широкие дорожки заменяют теплоотвод на основе переходных отверстий.

Минимальное кольцевое зазор для сверления алюминия : из-за абразивного воздействия сверла на алюминий, смещение сверла несколько больше, чем на FR-4. Минимальное кольцевое зазор для сквозных металлизированных отверстий на алюминиевых светодиодных печатных платах должно составлять 0.25 мм, а не 0.15 мм, как это может быть допустимо на FR-4.

Зазор между компонентами и V-образными насечками : Стандартный зазор между компонентами и V-образными насечками составляет 0.5 мм для компонентов на печатной плате FR-4. На алюминии глубина V-образных насечек может составлять ±0.1 мм, и насечки на алюминии создают небольшое нарушение поверхности. Увеличьте зазор между компонентами и V-образными насечками до 0.75 мм на алюминиевых светодиодных печатных платах.

Покрытие кромок недоступно : алюминиевые светодиодные печатные платы не поддерживают покрытие кромок. Любое электрическое соединение на краю платы должно осуществляться через контактные площадки, отступающие от края на ≥0.5 мм.

Для проведения полного анализа DFM-процессов перед отправкой проекта в производство используйте контрольный список DFM для печатных плат в качестве справочного материала перед подачей заявки.

Контрольный список для передачи проекта при изготовлении алюминиевых светодиодных печатных плат

Перед отправкой файлов производителю:

• Файлы Gerber: слой меди, верхняя граница маски для пайки, верхняя граница шелкографии, контур платы (DXF или отдельный слой Gerber).
• Файл сверления: все отверстия с указанием диаметров, обозначение покрытия/отсутствия покрытия.
• Технические характеристики многослойной структуры: марка алюминия, толщина, диэлектрическая прочность (Tc), вес меди, общая толщина платы.
• Спецификация качества обработки поверхности: толщина слоя золота/никеля ENIG или HASL/OSP.
• Требования к высокому напряжению
• Класс IPC (2 или 3)
• Контролируемые технические характеристики: допуск по толщине диэлектрика, допуск по толщине меди.
• Цвет паяльной маски и коэффициент раскрытия на больших термоплощадках.
• При необходимости укажите фаску или зенковку монтажного отверстия.

Инженерная команда Highleap Electronics проводит бесплатную проверку DFM (проектирование для производства) предоставленных файлов перед составлением коммерческого предложения, выявляя любые из вышеперечисленных проблем до того, как они превратятся в производственные дефекты или бракованные платы. Результаты проверки предоставляются в течение 1–2 рабочих дней.

FAQ

Какой инструмент моделирования следует использовать для проектирования тепловых характеристик алюминиевых светодиодных печатных плат? ANSYS Icepak и Mentor FloTHERM — это полнофункциональные инструменты конечно-элементного анализа с библиотеками материалов для диэлектриков многослойных печатных плат. Для более быстрого получения результатов на начальном этапе проектирования инструменты моделирования от производителей светодиодов (Lumileds SiteMap, OSRAM LED Expert) включают упрощенные тепловые модели. Любое моделирование лучше, чем его отсутствие — даже табличная модель теплового сопротивления перехода к окружающей среде позволяет выявить основные ошибки проектирования до начала прототипирования.

Как правильно организовать заземление и питание на однослойной алюминиевой печатной плате для светодиодов? Однослойные платы не имеют заземляющей плоскости в традиционном понимании многослойных плат FR-4. Питание и заземление (или обратный ток) должны быть проложены отдельными дорожками. Медные заливки на неиспользуемой площади могут служить локальными путями обратного тока, но не соединены электрически с алюминиевым основанием. Алюминиевое основание либо заземлено на шасси, либо является плавающим заземлением, в зависимости от конструкции светильника — оно не является автоматически заземлением цепи.

Какое покрытие контактных площадок следует выбрать для светодиодных матриц COB на алюминиевых платах? ENIG — правильный выбор для сборки светодиодных печатных плат COB (чип на плате) . Плоская, воспроизводимая поверхность необходима для процессов крепления кристалла и проволочного монтажа, используемых в производстве COB. Неравномерность поверхности HASL несовместима с допусками по высоте контакта при сборке COB.

Как алюминиевая основа влияет на профиль оплавления припоя в SMT-процессах? Алюминиевая основа поглощает тепло во время нагрева, что требует более медленной скорости нагрева (максимум 2°C/с) и потенциально более высокой пиковой температуры зоны для достижения адекватной температуры контактной площадки. Основа также удерживает тепло после выхода из пиковых зон, увеличивая время пребывания выше температуры ликвидуса. При переходе с печатных плат FR-4 на алюминиевые светодиодные платы запросите у своего партнера по сборке специальный профиль оплавления.