คู่มือการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับ LED อะลูมิเนียมและคู่มือการออกแบบเพื่อการผลิต (DFM)

อุณหภูมิจุดเชื่อมต่อของ LED เป็นตัวแปรเดียวที่กำหนดอัตราการลดลงของความสว่าง การเปลี่ยนแปลงสี และระยะเวลาการเสีย ทุกอย่างในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมสำหรับ LED ล้วนมีส่วนช่วยเพิ่มหรือลดอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อ นักออกแบบที่เข้าใจห่วงโซ่ความร้อนจากจุดเชื่อมต่อไปยังสภาพแวดล้อมโดยรอบ สามารถตัดสินใจเลือกเลย์เอาต์ที่ช่วยชดเชยอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นได้ 10-20°C จากฮีทซิงค์ที่กำหนด ในทางกลับกัน นักออกแบบที่มองแผงวงจรพิมพ์เป็นเพียงพื้นผิวสำหรับติดตั้งทางกล และปล่อยให้การปรับแต่งความร้อนเป็นหน้าที่ของผู้ผลิตฮีทซิงค์ จะสูญเสียอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นโดยไม่จำเป็น คู่มือนี้จะกล่าวถึงการตัดสินใจด้านการออกแบบที่สำคัญ

ห่วงโซ่ความร้อน: ความร้อนไปที่ไหนและหยุดอยู่ที่ไหน

การนำทางบทความ

1. ห่วงโซ่ความร้อน: ความร้อนไปที่ไหนและหยุดอยู่ที่ไหน
2. ทำการจำลองความร้อนก่อนตัดสินใจเลือกแบบแปลน
3. รูปทรงเรขาคณิตของแผ่น LED: ความแม่นยำของพื้นที่ติดตั้งและความน่าเชื่อถือของข้อต่อบัดกรี
4. ความกว้างของลายทองแดงสำหรับสายไฟ LED กระแสสูง
5. พื้นที่ห้ามเข้าและระยะห่างในการคืบคลานสำหรับไดร์เวอร์ LED แบบรวม
6. กฎ DFM เฉพาะสำหรับการจัดวาง PCB ของ LED อลูมิเนียม
7. รายการตรวจสอบการส่งมอบงานออกแบบสำหรับการผลิตแผงวงจรพิมพ์ LED อลูมิเนียม
8. คำถามที่พบบ่อย

ความร้อนไหลจากจุดเชื่อมต่อ LED → ตัวแพ็คเกจ LED → ข้อต่อบัดกรี → แผ่นทองแดง → ชั้นฉนวน → ฐานอะลูมิเนียม → แผ่นระบายความร้อน → สภาพแวดล้อมโดยรอบ แต่ละส่วนเชื่อมต่อจะมีค่าความต้านทานความร้อน และแผงวงจรพิมพ์ (PCB) มีส่วนทำให้เกิดความต้านทานความร้อนสามค่า ได้แก่ ความต้านทานของข้อต่อบัดกรี ความต้านทานของส่วนเชื่อมต่อระหว่างทองแดงกับฉนวน และความต้านทานของชั้นฉนวนเอง

ความต้านทานไดอิเล็กทริกเป็นตัวแปรทางความร้อนที่สำคัญที่สุดในแผงวงจรพิมพ์ (PCB):

• ที่อุณหภูมิ 1.0 W/m·K และฉนวนไฟฟ้าหนา 100 µm: θ_dielectric ≈ 1.0°C/W ต่อพื้นที่แผ่นความร้อน cm²
• ที่อุณหภูมิ 2.0 W/m·K และความหนา 100 µm: θ_dielectric ≈ 0.5°C/W ต่อ cm²
• ที่อุณหภูมิ 3.0 W/m·K และความหนา 100 µm: θ_dielectric ≈ 0.33°C/W ต่อ cm²

สำหรับ LED ขนาด 3 วัตต์ บนแผ่นขนาด 3 × 3 มม. ความแตกต่างระหว่างค่าการนำความร้อน 1.0 และ 3.0 วัตต์/เมตร·เคลวิน จะส่งผลให้ความแตกต่างของอุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อของชิปอยู่ที่ประมาณ 5 องศาเซลเซียส หากนำไปใช้กับโคมไฟขนาด 150 วัตต์ ที่มี LED 50 ดวง ผลกระทบในระดับระบบจะมีความสำคัญอย่างมาก

ฐานอะลูมิเนียมจะเพิ่มความต้านทานความร้อนเพียงเล็กน้อยหากมีความหนาเพียงพอ (≥1.0 มม.) และส่วนเชื่อมต่อกับฮีทซิงค์ใช้สารนำความร้อน (TIM) ที่เหมาะสม ส่วนเชื่อมต่อระหว่างฐานกับฮีทซิงค์มักมีความต้านทานความร้อนมากที่สุดในชุดประกอบ แต่ส่วนนี้อยู่นอกเหนือการควบคุมโดยตรงของผู้ออกแบบ PCB

ทำการจำลองความร้อนก่อนตัดสินใจเลือกแบบแปลน

การจำลองความร้อนก่อนการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ช่วยป้องกันข้อผิดพลาดที่มีค่าใช้จ่ายสูงสองประการ ได้แก่ การสร้างแผงวงจรที่ไม่สามารถระบายความร้อนได้อย่างเพียงพอที่กำลังไฟที่กำหนด และการกำหนดคุณสมบัติของฉนวนไฟฟ้าเกินความจำเป็นซึ่งทำให้เสียค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้น

ข้อมูลป้อนเข้า FEA สำหรับการจำลอง PCB LED อลูมิเนียม:

• ค่าความต้านทานความร้อนของแพ็คเกจ LED (θ_j-s จากเอกสารข้อมูล)
• กำลังไฟฟ้าขาออกของ LED ที่กระแสใช้งาน
• ขนาดของแผ่นรองและตัวระบายความร้อน
• ระดับความเป็นฉนวนและความหนา (นี่คือพารามิเตอร์ที่คุณกำลังหาคำตอบ)
• ขนาดฐานอลูมิเนียมและโลหะผสม
• ค่าความต้านทานของฮีทซิงค์และค่า TIM ของอินเทอร์เฟซการติดตั้ง
• อุณหภูมิแวดล้อม (กรณีที่เลวร้ายที่สุด: โดยทั่วไปอยู่ที่ 50–60°C สำหรับโคมไฟแบบปิด)

ผลลัพธ์จากการจำลองบอกอะไรคุณบ้าง:

• อุณหภูมิสูงสุดของจุดเชื่อมต่อ LED — เปรียบเทียบกับค่า T_j (โดยทั่วไปอยู่ที่ 125–150°C สำหรับแพ็คเกจ LED รุ่นใหม่)
• จุดร้อนจากกลุ่ม LED — หากวาง LED ใกล้กันเกินไป ความต้านทานความร้อนจากแหล่งความร้อนของ LED ที่อยู่ใกล้เคียงจะเพิ่มอุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อ
• ค่า Tc ของฉนวนที่ต้องการจะต้องอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่กำหนดไว้

Highleap Electronics ให้ บริการสนับสนุน การจำลองความร้อนของ MCPCBสำหรับลูกค้าที่ต้องการตรวจสอบความถูกต้องของข้อกำหนดโครงสร้างก่อนที่จะเริ่มการผลิต ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อการเลือกใช้ฉนวนไฟฟ้าที่มีค่าการนำความร้อน 2.0 หรือ 3.0 W/m·K ส่งผลต่อต้นทุนวัสดุอย่างมาก

รูปทรงเรขาคณิตของแผ่น LED: ความแม่นยำของพื้นที่ติดตั้งและความน่าเชื่อถือของข้อต่อบัดกรี

การออกแบบรูปทรงแผ่นรองบนแผ่นวงจรพิมพ์ LED ที่ทำจากอลูมิเนียมนั้นมีความเข้มงวดมากกว่าบนแผ่นวงจรพิมพ์ FR-4 มาตรฐาน เนื่องจากฐานอลูมิเนียมมีมวลความร้อนสูง และการควบคุมอุณหภูมิการหลอมละลายทำได้ยากกว่า ข้อผิดพลาดในการออกแบบแผ่นรองที่พบบ่อย:

แผ่นระบายความร้อนขนาดใหญ่เกินไป : แผ่นระบายความร้อนที่มีขนาดใหญ่กว่าขนาดของตัว LED จะทำให้เกิดแอ่งน้ำตะกั่วระหว่างการหลอม ซึ่งอาจดูดตะกั่วจากแผ่นสัญญาณ ทำให้การเชื่อมต่อที่แผ่นสัญญาณ/แอโนด/แคโทดไม่สมบูรณ์ ควรเลือกขนาดแผ่นระบายความร้อนให้ใหญ่กว่าขนาดของตัว LED ประมาณ 0–0.1 มม. ต่อด้าน ไม่ใช่ 0.3–0.5 มม. อย่างที่บางครั้งระบุไว้สำหรับ FR-4

อัตราส่วนช่องเปิดของหน้ากากบัดกรี : สำหรับแผ่นระบายความร้อนขนาดใหญ่ (>3 × 3 มม.) ให้ใช้ช่องเปิดหน้ากากบัดกรีแบบแบ่งส่วน — ช่องเปิดขนาดเล็กหลายช่องแทนที่จะเป็นแผ่นเดียวที่เปิดโล่ง — เพื่อควบคุมปริมาณของเนื้อบัดกรีและป้องกันการเกิดช่องว่าง ควรมีพื้นที่ทองแดงที่เปิดโล่งประมาณ 50–70% สำหรับแผ่นที่มีขนาด ≥ 9 มม.²

ความเรียบของแผ่นรอง : แผ่นอลูมิเนียมที่มีความหนาของฉนวนแตกต่างกันจะบิดงอเล็กน้อยระหว่างการหลอม ความเรียบของแผ่นรองที่ ≤0.05 มม. สามารถทำได้โดยการควบคุมความหนาของฉนวน หากการพิมพ์วางบัดกรีของคุณต้องอาศัยความเรียบที่แม่นยำ โปรดปรึกษาเรื่องนี้กับโรงงานผู้ผลิตในฐานะข้อกำหนดที่ควบคุมได้ ตรวจสอบว่าการออกแบบหน้ากากบัดกรีบน PCBส่งผลต่อผลผลิตในการประกอบบนแผ่นวงจรพิมพ์ที่มีแกนโลหะ อย่างไร

ความกว้างของลายทองแดงสำหรับสายไฟ LED กระแสสูง

มาตรฐาน IPC-2152 (เดิมคือ IPC-2221) เป็นมาตรฐานอ้างอิงสำหรับความกว้างของลายวงจรเทียบกับความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้า สำหรับแผงวงจรพิมพ์ LED ที่ทำจากอลูมิเนียม ให้ใช้ตารางลายวงจรชั้นภายในแทนชั้นภายนอก เนื่องจากลายวงจรอยู่บนพื้นผิว แต่ฐานอลูมิเนียมจะดูดซับความร้อนจากด้านล่าง ซึ่งจำลองพฤติกรรมทางความร้อนของชั้นภายในได้บางส่วน

แนวทางปฏิบัติสำหรับการกำหนดความกว้างของลายวงจรบนแผ่นวงจรพิมพ์ LED ที่ทำจากทองแดง 1 ออนซ์ บนอลูมิเนียม โดยรองรับอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10°C:

สำหรับกระแสไฟฟ้าที่สูงกว่า 5 A ให้เปลี่ยนไปใช้แผ่นทองแดงขนาด 2 ออนซ์ หรือ 3 ออนซ์ ความกว้างของลายวงจรที่ต้องการในแผ่นทองแดงขนาด 1 ออนซ์ สำหรับกระแส 10 A (5 มม.) จะกินพื้นที่ในการออกแบบ ซึ่งควรนำไปใช้สำหรับติดตั้ง LED เพิ่มเติมในงานออกแบบที่มีความหนาแน่นสูง ควรศึกษา หลักการ ออกแบบ PCB ที่ใช้ทองแดงหนาเมื่อน้ำหนักของทองแดงเกิน 2 ออนซ์

พื้นที่ห้ามเข้าและระยะห่างในการคืบคลานสำหรับไดร์เวอร์ LED แบบรวม

การออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับ LED ที่ทำจากอะลูมิเนียมจำนวนมากนั้นรวมวงจรขับ LED ไว้บนแผงเดียวกันกับแผง LED ทำให้เกิดบริเวณแรงดันสูง (ด้านอินพุตของวงจรขับ: 100–350V AC หรือ DC) ที่อยู่ติดกับสาย LED แรงดันต่ำ กฎการออกแบบ:

ระยะห่างคืบคลาน : มาตรฐาน IEC 60950-1 และ IEC 62368-1 กำหนดข้อกำหนดเกี่ยวกับระยะห่างคืบคลานและระยะห่างระหว่างตัวนำไฟฟ้าแรงสูงและแรงต่ำ สำหรับฉนวนเสริมแรงที่แรงดันใช้งาน 250V AC ระยะห่างคืบคลานขั้นต่ำบน PCB คือ 6.4 มม. (ระดับมลภาวะ 2 กลุ่มวัสดุ IIIa) สำหรับ PCB LED อะลูมิเนียมที่ฐานอะลูมิเนียมอยู่ที่ศักย์ไฟฟ้าของตัวถัง ระยะห่างจากตัวนำไฟฟ้าที่มีกระแสไฟฟ้าไปยังขอบบอร์ดหรือรูยึดที่ใกล้ที่สุดก็จำเป็นต้องมีการวิเคราะห์ระยะห่างคืบคลานด้วย

ข้อควรระวังสำหรับสายไฟฟ้าแรงสูง : รูยึดอะลูมิเนียมเชื่อมต่อฐานกับตัวเครื่อง สายไฟฟ้าแรงสูงใดๆ ต้องเว้นระยะห่างจากรูเหล่านี้ โดยคำนึงถึงเส้นผ่านศูนย์กลางของตัวยึดนำไฟฟ้าด้วย

แผ่นระบายความร้อนของไอซีไดร์เวอร์ : ไอซีไดร์เวอร์ LED บางตัวมีแผ่นระบายความร้อนที่เปิดโล่งซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าสูง (ไม่ใช่กราวด์) ตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของแผ่นระบายความร้อนก่อนกำหนดตำแหน่งช่องเปิดของหน้ากากบัดกรีและจุดเททองแดงใกล้กับชิ้นส่วนเหล่านี้

กฎ DFM เฉพาะสำหรับการจัดวาง PCB ของ LED อลูมิเนียม

การออกแบบเพื่อการผลิตบนพื้นผิวอะลูมิเนียมแตกต่างจาก FR-4 ในหลายด้าน:

ไม่มีรูเจาะในแผ่นระบายความร้อน : ต่างจาก FR-4 ที่บางครั้งใช้รูเจาะในแผ่นระบายความร้อนที่มีการเติมทองแดง แผงวงจรพิมพ์ LED อะลูมิเนียมไม่รองรับรูเจาะแบบฝังหรือแบบซ่อน การเดินสายทั้งหมดต้องทำในชั้นทองแดงชั้นเดียว การเททองแดงและลายวงจรที่กว้างจะเข้ามาแทนที่การกระจายความร้อนโดยใช้รูเจาะ

ระยะห่างวงแหวนขั้นต่ำสำหรับการเจาะอะลูมิเนียม : เนื่องจากอะลูมิเนียมทำให้เครื่องมือเจาะสึกหรอ การเบี่ยงเบนของดอกสว่านจึงสูงกว่าบน FR-4 เล็กน้อย ระยะห่างวงแหวนขั้นต่ำสำหรับรูทะลุชุบบนแผงวงจรพิมพ์ LED อะลูมิเนียมควรเป็น 0.25 มม. ไม่ใช่ 0.15 มม. ซึ่งอาจยอมรับได้บน FR-4

ระยะห่างของชิ้นส่วนจากรอยบากรูปตัว V : ระยะห่างมาตรฐานจากรอยบากรูปตัว V สำหรับชิ้นส่วนบนวัสดุ FR-4 คือ 0.5 มม. บนวัสดุอะลูมิเนียม ความลึกของรอยบากรูปตัว V อาจมีความคลาดเคลื่อนได้ ±0.1 มม. และรอยบากบนอะลูมิเนียมจะทำให้พื้นผิวไม่เรียบเล็กน้อย ควรเพิ่มระยะห่างของชิ้นส่วนจากรอยบากรูปตัว V เป็น 0.75 มม. สำหรับแผงวงจรพิมพ์ LED ที่ทำจากอะลูมิเนียม

ไม่สามารถทำการชุบขอบได้ : แผงวงจรพิมพ์ LED อะลูมิเนียมไม่รองรับการชุบขอบ การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าใดๆ ที่ขอบแผงวงจรจะต้องทำผ่านแผ่นโลหะที่ดึงถอยห่างจากขอบอย่างน้อย 0.5 มม.

เพื่อให้ได้รับการตรวจสอบ DFM อย่างครบถ้วนก่อนส่งแบบร่างเพื่อการผลิต โปรดใช้รายการตรวจสอบ DFM สำหรับ PCBเป็นข้อมูลอ้างอิงก่อนการส่งแบบร่าง

รายการตรวจสอบการส่งมอบงานออกแบบสำหรับการผลิตแผงวงจรพิมพ์ LED อลูมิเนียม

ก่อนส่งไฟล์ให้ผู้ผลิต:

• ไฟล์ Gerber: เลเยอร์ทองแดง, เลเยอร์ปิดบังรอยบัดกรี, เลเยอร์พิมพ์สกรีน, โครงร่างแผงวงจร (DXF หรือเลเยอร์ Gerber เฉพาะ)
• ไฟล์เจาะ: รูทั้งหมดพร้อมเส้นผ่านศูนย์กลาง การระบุว่าเป็นผิวเคลือบหรือไม่เคลือบ
• รายละเอียดการเรียงซ้อน: เกรดอลูมิเนียม, ความหนา, เกรดค่า Tc ของฉนวน, น้ำหนักทองแดง, ความหนารวมของแผ่นวงจร
• ข้อกำหนดการตกแต่งพื้นผิว: ความหนาของทอง/นิกเกิล ENIG หรือ HASL/OSP
• ข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าสูง
• คลาส IPC (2 หรือ 3)
• ข้อกำหนดที่ควบคุม: ความคลาดเคลื่อนของความหนาของฉนวนไฟฟ้า, ความคลาดเคลื่อนของความหนาของทองแดง
• สีของหน้ากากบัดกรีและอัตราส่วนช่องเปิดบนแผ่นระบายความร้อนขนาดใหญ่
• รายละเอียดการลบคมหรือการเจาะร่องสำหรับยึด หากจำเป็น

ทีมวิศวกรของ Highleap Electronics จะทำการตรวจสอบ DFM (Design for Manufacturing) ฟรีสำหรับไฟล์ที่ส่งมา ก่อนที่จะเสนอราคา เพื่อระบุปัญหาต่างๆ ข้างต้น ก่อนที่จะกลายเป็นข้อบกพร่องในการผลิตหรือแผงวงจรที่ถูกปฏิเสธ การตรวจสอบจะส่งคืนภายใน 1-2 วันทำการ

คำถามที่พบบ่อย

ควรใช้เครื่องมือจำลองใดในการออกแบบระบายความร้อนสำหรับแผงวงจรพิมพ์ LED อลูมิเนียม? ANSYS Icepak และ Mentor FloTHERM เป็นเครื่องมือ FEA เต็มรูปแบบที่มีไลบรารีวัสดุสำหรับฉนวนของแผงวงจรพิมพ์แบบหลายชั้น (MCPCB) เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่รวดเร็วยิ่งขึ้นในระหว่างการออกแบบเบื้องต้น เครื่องมือจำลองของผู้ผลิต LED (Lumileds SiteMap, OSRAM LED Expert) มีแบบจำลองความร้อนแบบง่ายๆ การจำลองใดๆ ก็ดีกว่าการไม่จำลองเลย แม้แต่แบบจำลองความต้านทานความร้อนจากจุดเชื่อมต่อถึงสภาพแวดล้อมในสเปรดชีตก็ช่วยตรวจจับข้อผิดพลาดในการออกแบบที่สำคัญก่อนการสร้างต้นแบบได้

ฉันจะจัดการกับระนาบกราวด์และระนาบกำลังไฟฟ้าบนแผงวงจรพิมพ์ LED อลูมิเนียมชั้นเดียวได้อย่างไร?แผงวงจรชั้นเดียวไม่มีระนาบกราวด์ในแบบเดียวกับแผงวงจรหลายชั้น FR-4 ทั่วไป กำลังไฟฟ้าและกราวด์ (หรือตัวนำกระแสกลับ) ต้องเดินสายแยกกัน การเททองแดงในพื้นที่ที่ไม่ได้ใช้งานสามารถทำหน้าที่เป็นเส้นทางนำกระแสกลับเฉพาะจุดได้ แต่ไม่ได้เชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับฐานอลูมิเนียม ฐานอลูมิเนียมจะเป็นกราวด์ของตัวเครื่องหรือลอยตัว ขึ้นอยู่กับการออกแบบของอุปกรณ์ — ไม่ใช่กราวด์ของวงจรโดยอัตโนมัติ

ควรเลือกพื้นผิวแผ่นรองแบบใดสำหรับแผง LED COB บนแผ่นอลูมิเนียม? ENIG คือตัวเลือกที่ถูกต้องสำหรับการประกอบ PCB LED COB (chip-on-board) พื้นผิวเรียบและได้มาตรฐานนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับกระบวนการยึดชิปและการเชื่อมต่อสายไฟที่ใช้ในการผลิต COB ความแปรปรวนของพื้นผิวของ HASL นั้นไม่เข้ากันกับค่าความคลาดเคลื่อนของความสูงในการเชื่อมต่อในการประกอบ COB

ฐานอะลูมิเนียมส่งผลต่อโปรไฟล์การหลอม SMT อย่างไร?ฐานอะลูมิเนียมดูดซับความร้อนในระหว่างการเพิ่มอุณหภูมิ ทำให้ต้องใช้ความเร็วในการเพิ่มอุณหภูมิที่ช้าลง (สูงสุด 2°C/วินาที) และอาจต้องเพิ่มอุณหภูมิสูงสุดในบริเวณที่กำหนดเพื่อให้ได้อุณหภูมิแผ่นรองที่เหมาะสม นอกจากนี้ ฐานยังคงกักเก็บความร้อนหลังจากผ่านช่วงอุณหภูมิสูงสุดไปแล้ว ทำให้ระยะเวลาที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดหลอมเหลวนานขึ้น หากต้องการเปลี่ยนจาก PCB LED FR-4 เป็น PCB LED อะลูมิเนียม ควรขอโปรไฟล์การหลอมเฉพาะจากพันธมิตรผู้ประกอบชิ้นส่วนของคุณ