Design av aluminium-LED-kretskort och DFM-guide

Temperaturen på LED-övergången är den enda variabeln som avgör ljusförsämringen, färgskiftningen och tiden till fel. Allt inom design av LED-kretskort i aluminium bidrar antingen till eller minskar övergångstemperaturen. En konstruktör som förstår den termiska kedjan från övergång till omgivningstemperatur kan fatta layoutbeslut som återställer 10–20 °C marginal från en given kylfläns. En konstruktör som behandlar kretskortet som ett mekaniskt monteringssubstrat och lämnar termisk optimering till kylflänsleverantören ger tillbaka den marginalen i onödan. Den här guiden täcker de designbeslut som är viktiga.

Termisk kedja: Vart värmen går och var den stannar

Artikelnavigering

1. Termisk kedja: Vart värmen går och var den stannar
2. Köra termisk simulering innan layouten påbörjas
3. LED-plattans geometri: Fotavtrycksnoggrannhet och lödfogens tillförlitlighet
4. Kopparspårbredd för LED-slingor med hög strömstyrka
5. Uteslutningszoner och krypavstånd för integrerade LED-drivrutiner
6. DFM-regler specifika för aluminium LED-kretskortlayout
7. Checklista för designöverlämning för tillverkning av aluminium-LED-kretskort
8. FAQ

Värme flödar från LED-övergången → LED-kapsling → lödfog → kopparplatta → dielektriskt lager → aluminiumbas → kylfläns → omgivningstemperatur. Varje gränssnitt har ett värmeresistansvärde, och kretskortet bidrar med tre: lödfogsresistansen, koppar-till-dielektriskt gränssnitt och själva det dielektriska lagret.

Dielektrisk resistans är den dominerande termen för PCB:n:

• Vid 1.0 W/m·K, 100 µm dielektrikum: θ_dielektrikum ≈ 1.0 °C/W per cm² av dynytan
• Vid 2.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielektricitet ≈ 0.5 °C/W per cm²
• Vid 3.0 W/m·K, 100 µm: θ_dielektricitet ≈ 0.33 °C/W per cm²

För en 3W LED på en 3 × 3 mm dyna är skillnaden mellan 1.0 och 3.0 W/m·K dielektrikum ungefär 5 °C kopplingstemperatur vid chipen. Skala det över en 150W-armatur med 50 lysdioder och effekten på systemnivå är betydande.

Aluminiumbasen ger försumbar värmeresistans om den är tillräckligt tjock (≥1.0 mm) och gränssnittet till kylflänsen använder lämpligt TIM (termiskt gränssnittsmaterial). Gränssnittet mellan bas och kylfläns har ofta den största värmeresistansen i enheten – men det ligger utanför kretskortskonstruktörens direkta kontroll.

Köra termisk simulering innan layouten påbörjas

Termisk simulering före kretskortslayout förhindrar två dyra fel: att bygga ett kort som inte kan kylas tillräckligt vid nominell effekt, och att överspecificera dielektrikumet till onödig kostnad.

FEA-ingångar för simulering av aluminium-LED-kretskort:

• LED-paketets termiska resistans (θ_j-s, från databladet)
• LED-framström vid driftström
• Mått på dynor och termiska slugs
• Dielektrisk kvalitet och tjocklek (detta är den parameter du löser ut för)
• Mått och legering av aluminiumbas
• Kylflänsresistans och TIM-värde för monteringsgränssnitt
• Omgivningstemperatur (värsta tänkbara: vanligtvis 50–60 °C för slutna armaturer)

Vad simuleringsutgången visar dig:

• Maximal LED-övergångstemperatur — jämför med T_j-klassning (vanligtvis 125–150 °C för moderna LED-kapslar)
• Heta fläckar från LED-kluster — om lysdioder placeras för nära varandra ökar värmemotståndet från angränsande LED-värmekällor temperaturen i övergången
• Nödvändig dielektrisk Tc för att hålla sig inom övergångstemperaturbudgeten

Highleap Electronics erbjuder stöd för termisk simulering av MCPCB för kunder som behöver validera sin stackspecifikation innan de börjar producera. Detta är särskilt användbart när valet mellan 2.0 och 3.0 W/m·K dielektrikum påverkar materialkostnaden avsevärt.

LED-plattans geometri: Fotavtrycksnoggrannhet och lödfogens tillförlitlighet

Dyngeometrin på aluminium-LED-kretskort har strängare konsekvenser än på standard FR-4 eftersom aluminiumbasens termiska massa är hög och kontrollen av återflödestemperaturen är svårare. Vanliga designfel för dynorna:

Överdimensionerade termiska plattor : En termisk slug-platta som är större än LED-kapslingens slug-fotavtryck skapar en lödreservoar under omsmältning som kan suga ut lödtenn från signalplattorna, vilket orsakar otillräcklig skarvbildning vid signal-/anod-/katodplattorna. Dimensionera termisk plattan 0–0.1 mm per sida större än kapslingens termiska slug, inte 0.3–0.5 mm som ibland specificeras för FR-4.

Öppningsförhållande för lödmask : För stora termiska plattor (>3 × 3 mm), använd en segmenterad lödmasköppning – flera mindre öppningar snarare än en helt exponerad platta – för att kontrollera pastavolymen och förhindra porösa hål. Sikta på 50–70 % kopparexponering för plattor ≥ 9 mm².

Loddens koplanaritet : Aluminiumkort med variation i dielektrisk tjocklek vrids något under omsmältning. Loddens koplanaritet på ≤0.05 mm kan uppnås med kontrollerad dielektrisk tjocklek. Om din pastautskrift är beroende av tät koplanaritet, diskutera detta med fabriken som en kontrollerad specifikation. Undersök hur lödmaskdesignen på kretskort påverkar monteringsutbytet på metallkärnsubstrat.

Kopparspårbredd för LED-slingor med hög strömstyrka

IPC-2152-standarden (tidigare IPC-2221) ger referensen för spårbredd kontra strömkapacitet. På LED-kretskort i aluminium, använd spårtabellerna för det interna lagret snarare än det externa lagret – eftersom spåret är på ytan men aluminiumbasen absorberar värme underifrån, vilket delvis replikerar det interna lagrets termiska beteende.

Praktiska riktlinjer för spårbredd för 1 g koppar på aluminium-LED-kretskort, 10 °C ökning:

För strömmar över 5 A, byt till 2 ml eller 3 ml koppar. Spårbredden som krävs vid 1 ml för 10 A (5 mm) förbrukar layoutyta som är bättre utnyttjad för ytterligare lysdioder i högdensitetsdesigner. Utforska principer för kretskortsdesign av tung koppar när kopparvikten överstiger 2 ml.

Uteslutningszoner och krypavstånd för integrerade LED-drivrutiner

Många LED-kretskort i aluminium integrerar LED-drivkretsarna på samma kort som LED-matrisen. Detta skapar ett högspänningsområde (drivkretsingångssida: 100–350 V AC eller DC) intill lågspännings-LED-strängen. Designregler:

Krypsträcka : IEC 60950-1 och IEC 62368-1 definierar krav på kryp- och utrymmesavstånd mellan högspännings- och lågspänningsledare. För förstärkt isolering vid 250 V AC arbetsspänning är minsta krypsträcka på ett kretskort 6.4 mm (föroreningsgrad 2, materialgrupp IIIa). På LED-kretskort i aluminium där aluminiumbasen har chassitspotential kräver avståndet från eventuell spänningsförande ledare till närmaste kretskortskant eller monteringshål också krypstråkningsanalys.

Högspänningsavstånd från monteringshål : Monteringshål i aluminium förbinder basen med armaturens chassi. Eventuella högspänningsledningar måste hålla kryp-/frigångsavstånd från dessa hål, med hänsyn till den ledande fästanordningens diameter.

Termiska plattor för drivkretsar : Vissa LED-drivkretsar har exponerade termiska plattor med hög spänningspotential (inte jord). Kontrollera plattspänningen innan du definierar lödmasköppningar och koppargjutningar nära dessa komponenter.

DFM-regler specifika för aluminium LED-kretskortlayout

Design för tillverkningsbarhet på aluminiumsubstrat skiljer sig från FR-4 på flera områden:

Inga vias i värmeplattor : Till skillnad från FR-4 där via-in-pad med kopparfyllning ibland används, stöder inte aluminium-LED-kretskort nedgrävda eller blinda vias. All routing måste utföras i ett enda kopparlager. Koppargjutningar och breda spår ersätter via-baserad värmespridning.

Minsta ringformade ringar för borrning i aluminium : På grund av aluminiumets nötning av borrverktyg är borrvandringen något högre än på FR-4. Minsta ringformade ringar för genomgående hål på aluminium-LED-kretskort bör vara 0.25 mm, inte 0.15 mm som kan vara acceptabelt på FR-4.

Komponentavstånd från V-score-linjer : Standardavståndet från V-score är 0.5 mm för komponenter på FR-4. På aluminium kan variationen i V-score-bladdjupet vara ±0.1 mm, och aluminiumscorgen skapar en liten ytstörning. Öka komponentavståndet från V-score-linjerna till 0.75 mm på aluminium-LED-kretskort.

Kantplätering är inte tillgänglig : Aluminium LED-kretskort stöder inte kantplätering. Eventuella elektriska anslutningskrav vid kretskortets kant måste göras med hjälp av plattor som dras tillbaka från kanten med ≥0.5 mm.

För en fullständig DFM-granskning innan du skickar in din design för produktion, använd PCB DFM-checklistan som referens före inlämning.

Checklista för designöverlämning för tillverkning av aluminium-LED-kretskort

Innan du skickar filer till tillverkaren:

• Gerberfiler: kopparlager, lödmasktopp, silkscreen-topp, kortkontur (DXF eller dedikerat Gerberlager)
• Borrfil: alla hål med diametrar, beteckning pläterad/icke-pläterad
• Stack-up-specifikation: aluminiumkvalitet, tjocklek, dielektrisk Tc-kvalitet, kopparvikt, total korttjocklek
• Ytbehandlingsspecifikation: ENIG guld/nickeltjocklek eller HASL/OSP
• Krav på högpotentiometerspänning
• IPC-klass (2 eller 3)
• Kontrollerade specifikationer: dielektrisk tjocklekstolerans, koppartjocklekstolerans
• Lödmaskens färg och öppningsförhållande på stora termiska dynor
• Monteringshålets avfasning eller försänkningsdetaljer vid behov

Highleap Electronics ingenjörsteam utför en kostnadsfri DFM-granskning av inskickade filer innan offert lämnas. De identifierar eventuella ovanstående problem innan de leder till produktionsfel eller underkända kort. Granskningen returneras inom 1–2 arbetsdagar.

FAQ

Vilket simuleringsverktyg ska jag använda för termisk design av LED-kretskort i aluminium? ANSYS Icepak och Mentor FloTHERM är kompletta FEA-verktyg med materialbibliotek för MCPCB-dielektrika. För snabbare resultat under den initiala designen inkluderar simuleringsverktygen för LED-tillverkare (Lumileds SiteMap, OSRAM LED Expert) förenklade termiska modeller. All simulering är bättre än ingen simulering – även en kalkylbladsmodell av termiskt motstånd mellan övergång och omgivning upptäcker större designfel före prototypframställning.

Hur hanterar jag jord- och effektplan på ett LED-kretskort i aluminium med ett enda lager? Kort med ett enda lager har inget jordplan i traditionell FR-4-flerlagersbemärkelse. Effekt och jord (eller strömretur) måste dras som separata spår. Koppargjutningar på oanvänt område kan fungera som lokala strömreturvägar men är inte elektriskt anslutna till aluminiumbasen. Aluminiumbasen är antingen chassijord eller flytande, beroende på armaturens design – inte automatiskt en kretsjord.

Vilken ytbehandling bör jag specificera för COB LED-matriser på aluminiumkort? ENIG är rätt val för COB (chip-on-board) LED-kretskortsmontering . Den plana, reproducerbara ytan är avgörande för demonterings- och trådbindningsprocesser som används i COB-produktion. HASL:s ytvariationer är inkompatibela med toleranserna för bindningshöjd vid COB-montering.

Hur påverkar aluminiumbasen SMT:s reflow-profil? Aluminiumbasen absorberar värme under upprampningen, vilket kräver en långsammare ramphastighet (maximalt 2 °C/s) och potentiellt högre toppzontemperatur för att uppnå tillräcklig platttemperatur. Basen behåller också värme efter att ha lämnat toppzonerna, vilket förlänger tiden över liquidus. Begär en dedikerad reflow-profil från din monteringspartner om du byter från FR-4 till aluminium LED-kretskort.