Alüminyum LED PCB Tasarımı ve DFM Kılavuzu

LED bağlantı sıcaklığı, lümen azalma oranını, renk kaymasını ve arıza süresini belirleyen tek değişkendir. Alüminyum LED PCB tasarımındaki her şey, bağlantı sıcaklığına ya katkıda bulunur ya da onu azaltır. Bağlantıdan ortam sıcaklığına kadar olan termal zinciri anlayan bir tasarımcı, belirli bir soğutucudan 10-20°C'lik bir marjı geri kazandıracak yerleşim kararları alabilir. PCB'yi mekanik bir montaj altlığı olarak ele alan ve termal optimizasyonu soğutucu tedarikçisine bırakan bir tasarımcı, bu marjı gereksiz yere geri verir. Bu kılavuz, önemli olan tasarım kararlarını ele almaktadır.

Isı Zinciri: Isının Gittiği ve Durduğu Yer

Makale Gezintisi

1. Isı Zinciri: Isının Gittiği ve Durduğu Yer
2. Yerleşim planına geçmeden önce termal simülasyon çalıştırma
3. LED Ped Geometrisi: Ayak İzi Doğruluğu ve Lehim Bağlantısı Güvenilirliği
4. Yüksek Akımlı LED Şeritler için Bakır İz Genişliği
5. Entegre LED Sürücüleri için Yasak Bölgeler ve Sürünme Mesafesi
6. Alüminyum LED PCB Yerleşimi İçin Özel DFM Kuralları
7. Alüminyum LED PCB Üretimi için Tasarım Teslim Kontrol Listesi
8. SSS

Isı, LED bağlantı noktasından → LED paketine → lehim bağlantısına → bakır pedine → dielektrik tabakasına → alüminyum tabana → soğutucuya → ortama doğru akar. Her arayüzün bir termal direnç değeri vardır ve PCB üç değere katkıda bulunur: lehim bağlantısı direnci, bakır-dielektrik arayüzü ve dielektrik tabakasının kendisi.

Dielektrik direnci , PCB'lerin termal özelliklerinde baskın terimdir:

• 1.0 W/m·K, 100 µm dielektrikte: θ_dielektrik ≈ 1.0°C/W, ped alanının cm²'si başına
• 2.0 W/m·K, 100 µm'de: θ_dielektrik ≈ 0.5°C/W cm² başına
• 3.0 W/m·K, 100 µm'de: θ_dielektrik ≈ 0.33°C/W cm² başına

3 × 3 mm'lik bir ped üzerindeki 3W'lık bir LED için, 1.0 ve 3.0 W/m·K dielektrik değerleri arasındaki fark, yonga üzerindeki bağlantı sıcaklığında yaklaşık 5°C'lik bir artışa neden olur. Bunu 50 LED'li 150W'lık bir armatüre uyguladığımızda, sistem düzeyindeki etki önemli hale gelir.

Alüminyum taban, yeterince kalın (≥1.0 mm) ve soğutucuya arayüzde uygun TIM (termal arayüz malzemesi) kullanılıyorsa, ihmal edilebilir düzeyde termal direnç ekler. Taban-soğutucu arayüzü genellikle devredeki en büyük termal direnci oluşturur, ancak bu PCB tasarımcısının doğrudan kontrolü dışındadır.

Yerleşim planına geçmeden önce termal simülasyon çalıştırma

PCB tasarımından önce yapılan termal simülasyon, iki pahalı hatayı önler: nominal güçte yeterince soğutma yapamayan bir kart üretmek ve gereksiz maliyetle dielektrik malzemeyi gereğinden fazla belirlemek.

Alüminyum LED PCB simülasyonu için FEA girdileri:

• LED paketinin termal direnci (θ_j-s, veri sayfasından)
• Çalışma akımında LED'in ileri güç tüketimi
• Ped ve termal parça boyutları
• Dielektrik sınıfı ve kalınlığı (çözmeye çalıştığınız parametre budur)
• Alüminyum taban boyutları ve alaşımı
• Isı emici direnci ve montaj arayüzü TIM değeri
• Ortam sıcaklığı (en kötü senaryo: kapalı aydınlatma armatürleri için tipik olarak 50–60°C)

Simülasyon çıktısı size şunları anlatıyor:

• Maksimum LED bağlantı sıcaklığı — T_j değeriyle karşılaştırın (modern LED paketleri için tipik olarak 125–150°C)
• LED kümelenmesinden kaynaklanan sıcak noktalar — LED'ler çok yakın yerleştirilirse, komşu LED ısı kaynaklarından gelen termal direnç, bağlantı sıcaklığına katkıda bulunur.
• Bağlantı sıcaklığı aralığı içinde kalmak için gerekli dielektrik sıcaklık (Tc).

Highleap Electronics, üretim aşamasına geçmeden önce yığın özelliklerini doğrulamak isteyen müşterilerine MCPCB termal simülasyon desteği sunmaktadır. Bu, özellikle 2.0 ve 3.0 W/m·K dielektrik seçimi malzeme maliyetini önemli ölçüde etkilediğinde faydalıdır.

LED Ped Geometrisi: Ayak İzi Doğruluğu ve Lehim Bağlantısı Güvenilirliği

Alüminyum LED PCB'lerdeki ped geometrisi, standart FR-4'e göre daha sıkı sonuçlar doğurur çünkü alüminyum tabanın termal kütlesi yüksektir ve lehimleme sıcaklığı kontrolü daha zordur. Yaygın ped tasarım hataları:

Aşırı büyük termal pedler : LED paketinin termal ped boyutundan daha büyük bir termal ped, lehimleme sırasında sinyal pedlerinden lehim emebilen bir lehim rezervuarı oluşturarak sinyal/anot/katot pedlerinde yetersiz lehim bağlantısına neden olabilir. Termal pedi, paket termal ped boyutundan her iki taraftan 0-0.1 mm daha büyük boyutlandırın, FR-4 için bazen belirtildiği gibi 0.3-0.5 mm değil.

Lehim maskesi açıklık oranı : Büyük termal pedler (>3 × 3 mm) için, macun hacmini kontrol etmek ve boşluk oluşumunu önlemek amacıyla, tamamen açıkta kalan tek bir ped yerine, bölümlere ayrılmış bir lehim maskesi açıklığı (birden fazla küçük açıklık) kullanın. ≥ 9 mm²'lik pedler için %50-70 bakır alan açıklığı hedefleyin.

Lehimleme pedlerinin düzlemselliği : Dielektrik kalınlığında varyasyon bulunan alüminyum levhalar, lehimleme işlemi sırasında hafifçe bükülür. Kontrollü dielektrik kalınlığı ile ≤0.05 mm'lik lehimleme pedlerinin düzlemselliği elde edilebilir. Lehimleme macunu baskınız sıkı düzlemselliğe bağlıysa, bunu fabrika ile kontrollü bir özellik olarak görüşün. PCB'ler üzerindeki lehim maskesi tasarımının metal çekirdekli alt tabakalarda montaj verimliliğini nasıl etkilediğini inceleyin.

Yüksek Akımlı LED Şeritler için Bakır İz Genişliği

IPC-2152 standardı (eski adıyla IPC-2221), iz genişliği ile akım kapasitesi arasındaki ilişki için referans sağlar. Alüminyum LED PCB'lerde, dış katman yerine iç katman iz tablolarını kullanın; çünkü iz yüzeyde bulunur ancak alüminyum taban alttan ısıyı emer ve iç katmanın termal davranışını kısmen taklit eder.

10°C sıcaklık artışında alüminyum LED PCB'ler üzerinde 1 ons bakır için pratik iz genişliği yönergeleri:

5 A'nın üzerindeki akımlar için 2 oz veya 3 oz bakır kullanın. 10 A için 1 oz'da gereken iz genişliği (5 mm), yüksek yoğunluklu tasarımlarda ek LED'ler için daha iyi kullanılabilecek yerleşim alanını tüketir. Bakır ağırlığı 2 oz'u aştığında, ağır bakır PCB tasarım prensiplerini inceleyin.

Entegre LED Sürücüleri için Yasak Bölgeler ve Sürünme Mesafesi

Birçok alüminyum LED PCB tasarımında LED sürücü devresi, LED dizisiyle aynı kart üzerinde entegre edilmiştir. Bu, düşük voltajlı LED dizisine bitişik yüksek voltajlı bir bölge (sürücü giriş tarafı: 100–350V AC veya DC) oluşturur. Tasarım kuralları:

Kaçak mesafesi : IEC 60950-1 ve IEC 62368-1, yüksek gerilim ve düşük gerilim iletkenleri arasındaki kaçak ve açıklık gereksinimlerini tanımlar. 250V AC çalışma geriliminde güçlendirilmiş izolasyon için, bir PCB üzerindeki minimum kaçak mesafesi 6.4 mm'dir (Kirlilik Derecesi 2, Malzeme Grubu IIIa). Alüminyum tabanın şasi potansiyelinde olduğu alüminyum LED PCB'lerde, herhangi bir canlı iletkenden en yakın kart kenarına veya montaj deliğine olan mesafe de kaçak analizi gerektirir.

Montaj deliklerinden yüksek voltajdan korunma : Alüminyum montaj delikleri, tabanı armatür şasisine bağlar. Herhangi bir yüksek voltajlı iletken, iletken bağlantı elemanının çapını da hesaba katarak, bu deliklerden kaçak/açıklık mesafesini korumalıdır.

Sürücü IC termal pedleri : Bazı LED sürücü IC'lerinde yüksek voltaj potansiyelinde (toprak değil) açıkta kalan termal pedler bulunur. Bu bileşenlerin yakınında lehim maskesi açıklıkları ve bakır dolguları oluşturmadan önce ped voltajını doğrulayın.

Alüminyum LED PCB Yerleşimi İçin Özel DFM Kuralları

Alüminyum alt tabakalarda üretilebilirlik için tasarım, FR-4'ten çeşitli alanlarda farklılık gösterir:

Termal pedlerde via yok : Bazen bakır dolgulu via-in-pad kullanılan FR-4'ün aksine, alüminyum LED PCB'ler gömülü veya kör via'ları desteklemez. Tüm yönlendirme tek bir bakır katmanda gerçekleştirilmelidir. Via tabanlı ısı yayılımının yerini bakır dolgular ve geniş izler alır.

Alüminyum delme için minimum halka çapı : Alüminyumun matkap uçlarını aşındırması nedeniyle, matkap sapması FR-4'e göre biraz daha yüksektir. Alüminyum LED PCB'lerde kaplamalı delikler için minimum halka çapı 0.25 mm olmalıdır, FR-4'te kabul edilebilir olabilecek 0.15 mm değil.

V-kesit çizgilerinden bileşen uzaklığı : FR-4 üzerindeki bileşenler için standart V-kesit uzaklığı 0.5 mm'dir. Alüminyumda, V-kesit bıçağı derinliği varyasyonu ±0.1 mm olabilir ve alüminyum kesim hafif bir yüzey bozulmasına neden olur. Alüminyum LED PCB'lerde V-kesit çizgilerinden bileşen uzaklığını 0.75 mm'ye çıkarın.

Kenar kaplama mevcut değil : Alüminyum LED PCB'ler kenar kaplamayı desteklemez. Kart kenarındaki herhangi bir elektriksel bağlantı gereksinimi, kenardan ≥0.5 mm geriye çekilmiş pedler aracılığıyla yapılmalıdır.

Üretim için tasarımınızı göndermeden önce eksiksiz bir DFM (Üretilebilirlik için Tasarım) incelemesi yapmak için, ön gönderim referansı olarak PCB DFM kontrol listesini kullanın.

Alüminyum LED PCB Üretimi için Tasarım Teslim Kontrol Listesi

Dosyaları üreticiye göndermeden önce:

• Gerber dosyaları: bakır katman, lehim maskesi üstü, serigrafi üstü, devre kartı dış hatları (DXF veya özel Gerber katmanı)
• Matkap dosyası: çapları, kaplamalı/kaplamasız ibareleriyle birlikte tüm delikler.
• Katman yapısı özellikleri: alüminyum kalitesi, kalınlığı, dielektrik Tc değeri, bakır ağırlığı, toplam levha kalınlığı.
• Yüzey kaplama spesifikasyonu: ENIG altın/nikel kalınlığı veya HASL/OSP
• Yüksek gerilim gereksinimi
• IPC sınıfı (2 veya 3)
• Kontrol edilen özellikler: dielektrik kalınlık toleransı, bakır kalınlık toleransı
• Geniş termal pedlerde lehim maskesi rengi ve açıklık oranı
• Gerekirse montaj deliği pahı veya havşa detayları.

Highleap Electronics'in mühendislik ekibi, fiyat teklifi vermeden önce gönderilen dosyalar üzerinde ücretsiz bir DFM (Üretilebilirlik için Tasarım) incelemesi gerçekleştirerek , yukarıda belirtilen sorunların üretim hatası veya reddedilen kart haline gelmeden önce tespit edilmesini sağlar. İnceleme sonucu 1-2 iş günü içinde geri gönderilir.

SSS

Alüminyum LED PCB termal tasarımı için hangi simülasyon aracını kullanmalıyım? ANSYS Icepak ve Mentor FloTHERM, MCPCB dielektrikleri için malzeme kütüphanelerine sahip tam teşekküllü FEA araçlarıdır. İlk tasarım aşamasında daha hızlı sonuçlar için, LED üreticilerinin simülasyon araçları (Lumileds SiteMap, OSRAM LED Expert) basitleştirilmiş termal modeller içerir. Herhangi bir simülasyon, hiç simülasyon olmamasından daha iyidir; hatta bağlantı noktası-ortam termal direncinin bir elektronik tablo modeli bile prototipleme öncesinde büyük tasarım hatalarını yakalar.

Tek katmanlı alüminyum LED PCB'lerde toprak ve güç düzlemlerini nasıl ele alırım? Tek katmanlı kartlarda geleneksel FR-4 çok katmanlı anlamında bir toprak düzlemi bulunmaz. Güç ve toprak (veya akım dönüşü) ayrı izler olarak yönlendirilmelidir. Kullanılmayan alanlardaki bakır kaplamalar yerel akım dönüş yolları olarak hizmet edebilir, ancak alüminyum tabana elektriksel olarak bağlı değildir. Alüminyum taban, armatür tasarımına bağlı olarak şasi topraklaması veya yüzer topraklama olabilir; otomatik olarak devre topraklaması değildir.

Alüminyum levhalar üzerine COB LED dizileri için hangi ped yüzeyini belirtmeliyim? COB (çip-kart üzerine) LED PCB montajı için ENIG doğru seçimdir . Düz, tekrarlanabilir yüzey, COB üretiminde kullanılan kalıp yapıştırma ve tel bağlama işlemleri için çok önemlidir. HASL'nin yüzey varyasyonu, COB montajındaki bağ yüksekliği toleranslarıyla uyumlu değildir.

Alüminyum taban, SMT lehimleme profilini nasıl etkiler? Alüminyum taban, ısınma sırasında ısıyı emer; bu da yeterli ped sıcaklığına ulaşmak için daha yavaş bir ısınma hızı (maksimum 2°C/s) ve potansiyel olarak daha yüksek tepe bölge sıcaklığı gerektirir. Taban ayrıca tepe bölgelerinden çıktıktan sonra da ısıyı tutar ve sıvılaşma noktasının üzerindeki süreyi uzatır. FR-4'ten alüminyum LED PCB'lere geçiş yapıyorsanız, montaj ortağınızdan özel bir lehimleme profili talep edin.