LED MCPCB für Hochleistungs-LEDs: Design, Wärmemanagement & Fertigungsleitfaden

Wenn LEDs in den Bereich von 1W, 5W, 10W und darüber hinaus getrieben werden, hört das Wärmemanagement auf, ein Detail zu sein, und wird zur Designbeschränkung. Gleiche LED, gleicher Treiber, gleiche Optik – doch ein Modul läuft jahrelang kühl, während ein anderes frühzeitig ausfällt, in der Farbe abweicht oder Zuverlässigkeitstests nicht besteht.

Der Unterschied liegt oft an einer Stelle:

wie gut das LED-MCPCB entworfen und gefertigt ist, um Wärme von der LED-Sperrschicht abzuleiten.

Eine Standard-FR-4-Leiterplatte mit einer Wärmeleitfähigkeit von ~0,2–0,5 W/m·K kann mit modernen Hochleistungs-LEDs einfach nicht mithalten. Deshalb sind Metallkern-Leiterplatten (MCPCB)—insbesondere LED-Aluminium-MCPCBs—zur Standardplattform für anspruchsvolle Beleuchtungs-, Automobil-, Industrie- und UV-Anwendungen geworden.

Bei APTPCB entwickeln und fertigen wir Metallkern-Leiterplatten und thermisch hochleitfähige Lösungen für LED-Kunden weltweit. Dieser Leitfaden richtet sich an Hardware-Ingenieure, Wärmeingenieure und Produktverantwortliche, die praktische Anleitungen zur Auswahl, zum Aufbau und zur Herstellung von LED-MCPCBs wünschen – nicht nur Theorie.

Auf dieser Seite

Warum LED-MCPCBs für das Design von Hochleistungs-LEDs wichtig sind
Grundlagen des LED-MCPCB-Aufbaus und des Wärmepfads
Wichtige Designentscheidungen für die Leistung von LED-MCPCBs
Fortgeschrittene LED-MCPCB-Strukturen und wann sie einzusetzen sind
Wie APTPCB zuverlässige LED-MCPCBs herstellt
Testen und Validieren der Leistung von LED-MCPCBs
Zusammenarbeit mit APTPCB für Ihr nächstes LED-MCPCB

Warum LED-MCPCBs für das Design von Hochleistungs-LEDs wichtig sind

Bei schwachleistenden Anzeige-LEDs auf FR-4 sind thermische Probleme in der Regel mit Kupferflächen und einem geeigneten Gehäuse beherrschbar. Bei Hochleistungs-LED-Modulen ist das anders:

Die Sperrschichttemperatur (Tj) steuert den Lichtstrom, die Farbstabilität und die Lebensdauer.
Wärme muss durch das Gehäuse, das Lot, die Leiterplatte und das Gehäuse zur Umgebung gelangen.
Jeder Engpass – insbesondere in der Leiterplatte – äußert sich als Hotspots und frühe Ausfälle.

Ein typisches Problem, das wir sehen, bevor Kunden zu einem geeigneten LED-MCPCB wechseln:

Der Prototyp besteht grundlegende Funktionstests, fällt aber bei thermischen oder Zuverlässigkeitstests durch.
Die Leuchte erfüllt die Helligkeitsspezifikation im Labor, lässt aber im Feld schnell nach.
Mehrere Kühlkörper-Iterationen mit geringer Verbesserung, da der Engpass innerhalb der Leiterplatte liegt, nicht außerhalb.

Genau hier bietet ein LED-MCPCB einen Mehrwert. Im Vergleich zu FR-4 bietet eine richtig konstruierte Metallkern-Leiterplatte:

Reduziert den thermischen Widerstand zwischen LED-Pad und Kühlkörper
Hält die Sperrschichttemperaturen bei gleicher Leistungsstufe niedriger
Ermöglicht eine höhere Leistungsdichte oder kleinere Kühlkörper für die gleiche Lebensdauer

Wenn Ihr Design Folgendes umfasst:

Hochleistungs-LED-Emitter oder COBs
Kompakte, thermisch eingeschränkte Gehäuse
Außen-, Automobil-, Industrie- oder UV-Anwendungen

Dann spart Ihnen der Start mit einem LED-MCPCB-Aufbau anstelle einer generischen FR-4-Platine in der Regel Zeit, Neuentwicklungen und thermische Fehlersuche.

Deshalb sind Metallkern-Leiterplatten (MCPCB)-Aufbau und Grundlagen des Wärmepfades

Die meisten in der Beleuchtung verwendeten LED-MCPCBs sind einlagige Metallkern-Leiterplatten mit einem einfachen, aber kritischen Aufbau:

Kupferschicht (1–3 oz oder dicker)
- Leitet Strom und fungiert als erster Wärmeverteiler.
- Das Lötpad und die Kupferfläche unter und um die LED beeinflussen die lokale Temperatur stark.
Wärmeleitende dielektrische Schicht
- Dünne (typischerweise 50–150 μm) Isolierschicht mit viel höherer Wärmeleitfähigkeit als FR-4.
- Überträgt Wärme vertikal vom Kupfer in den Metallkern.
- Die Wärmeleitfähigkeit (k) liegt normalerweise im Bereich von 1–8 W/m·K, verglichen mit ~0.3 W/m·K für FR-4.
Metallkern (üblicherweise Aluminium, manchmal Kupfer)
- Fungiert als integrierter Wärmeverteiler und mechanisches Rückgrat.
- Aluminiumkerne bieten typischerweise ~180–220 W/m·K; Kupfer ist noch höher, aber schwerer und teurer.
- Dicke üblicherweise 1.0–3.0 mm, abhängig von Steifigkeit und thermischen Anforderungen.

Aus thermischer Sicht sieht der Pfad wie eine Reihe von Widerständen aus: LED-Sperrschicht → LED-Gehäuse → Lötmittel → Kupferpad → Dielektrikum → Metallkern → Kühlkörper/Gehäuse → Umgebung

In vielen realen Designs ist die dielektrische Schicht der dominierende Engpass der Leiterplatte:

Ist sie zu dick oder weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, steigen die Sperrschichttemperaturen schnell an.
Ist sie dünn und weist einen hohen k-Wert auf, sinkt der Rθ über die Leiterplatte stark ab, wodurch der Kühlkörper eine echte Chance erhält, zu arbeiten.

Bei APTPCB beginnen wir Diskussionen über LED-MCPCBs mit dem Schichtaufbau und dem Wärmepfad, nicht nur mit der Kupferdicke oder der Kontur.

LED MCPCB

Wichtige Designentscheidungen für die Leistung von LED-MCPCBs

Ein gutes LED-MCPCB zu entwerfen, bedeutet hauptsächlich, einige wichtige Entscheidungen richtig zu treffen und sicherzustellen, dass sie in großem Maßstab herstellbar sind.

1. Auswahl des richtigen Dielektrikums

Das Dielektrikum ist das Herzstück des Wärmemanagements von LED-MCPCBs und muss Folgendes ausgleichen:

Wärmeleitfähigkeit (k):
- FR-4: ~0.2–0.5 W/m·K
- LED-MCPCB-Dielektrikum: 1.0–8.0+ W/m·K
- Höherer k-Wert → geringerer Wärmewiderstand bei gleicher Dicke.
Elektrische Isolierung und Durchbruchspannung:
- Muss das Schaltungskupfer sicher vom Metallkern isolieren, insbesondere bei Netz- oder Hochspannungstreibern.
Dicke und Gleichmäßigkeit:
- Dünner = besser für die Wärmeleistung, aber die Fertigungskonsistenz ist entscheidend, um Hotspots zu vermeiden. Für unterschiedliche Leistungsdichten und Anwendungen können wir geeignete Dielektrikumfamilien aus unserem Portfolio an hochwärmeleitfähigen Leiterplatten (PCBs) und Metallkernmaterialien empfehlen.

2. Auswahl zwischen Aluminium- und Kupferkern (und Dicke)

Aluminium-MCPCB
- Standardwahl für die meisten LED-Beleuchtungs-, Automobil- und Industrieprojekte.
- Gutes Gleichgewicht zwischen Wärmeleistung, Gewicht und Kosten.
Kupferkern-MCPCB
- Wird bei extremen Leistungsdichten oder sehr kompakten Modulen eingesetzt.
- Bietet die höchste Wärmeleitfähigkeit, jedoch zu höheren Kosten und höherem Gewicht.

Wichtige Kompromisse:

Erforderliche Wärmeleistung (Zieltwerte für die Sperrschichttemperatur)
Mechanische Steifigkeit und Ebenheit
Größen- und Gewichtsbeschränkungen
Kostenempfindlichkeit

3. Kupfergewicht, Layout und Pad-Design

Die Kupferschicht ist sowohl das elektrische Netzwerk als auch der laterale Wärmeverteiler:

Schwereres Kupfer (2 oz, 3 oz und mehr) hilft, Wärme zu verteilen, insbesondere bei Multi-Chip-LED-Arrays.
Das Pad-Design auf LED-Wärmeleitpads (massiv vs. segmentiert) beeinflusst die Hohlraumbildung und mechanische Belastung.
Breitere Leiterbahnen und Kupferflächen um Hochleistungs-LEDs reduzieren den lokalen Temperaturanstieg.

Wir nutzen unsere fortschrittlichen PCB-Fertigungskapazitäten, um schweres Kupfer mit feinen Strukturen zu kombinieren, wo dies erforderlich ist.

4. Lötstopplackfarbe und Oberflächenveredelung

Für viele LED-Module wird eine weiße Lötstoppmaske bevorzugt, um das Reflexionsvermögen zu erhöhen. In anderen Designs werden schwarze oder kundenspezifische Farben verwendet, um Blendung zu kontrollieren oder dem Industriedesign zu entsprechen.

Wir helfen Ihnen bei der Auswahl von Lötstopplack- und Oberflächenkombinationen, die unter Reflow- und Betriebstemperaturen farbstabil bleiben.
Oberflächenveredelungen (ENIG, OSP usw.) werden basierend auf Zuverlässigkeit, Montageprozess und Kosten ausgewählt.

Deshalb sind Metallkern-Leiterplatten (MCPCB)-Strukturen und wann man sie einsetzt

Nicht alle LED-Designs passen in eine einfache einlagige MCPCB. Für anspruchsvollere Produkte können verschiedene MCPCB-Lagenaufbau-Beispiele und -Strukturen verwendet werden.

Mehrschicht-MCPCB

Wenn Sie Folgendes benötigen:

Komplexere Leiterbahnführung (z. B. integrierte Treiber oder Signalleitungen)
Kompakte, hochfunktionale LED-Module

können wir zusätzliche FR-4- oder Hoch-Tg-Schichten auf den Metallkern aufbringen, wodurch eine hybride mehrschichtige laminierte Struktur entsteht. Wärme muss dann durch mehr Schichten wandern, daher behandeln wir Wärmedesign und Lagenaufbau-Engineering sehr sorgfältig.

Kupfermünzen / -einlagen für extreme Hotspots

Für sehr leistungsstarke LEDs oder UV-Quellen schafft das Einbetten von massiven Kupfermünzen oder -bolzen direkt unter der LED:

Einen extrem niedrigen Wärmewiderstandspfad vom LED-Pad zum Metallkern oder Kühlkörper.
Erfordert präzise Bearbeitung und Laminierungskontrolle.

APTPCB implementiert routinemäßig diese eingebetteten Kupferlösungen in Hochleistungsmodulen, bei denen jedes Grad zählt.

Hybride FR-4 + MCPCB Designs

Eine gängige Architektur:

MCPCB für den LED-Motor
FR-4 für Treiber- und Steuerplatinen, verbunden über Steckverbinder oder Flex

Als vollwertige Leiterplattenfabrik können wir beide Seiten bauen und koordinieren und bei Bedarf als abgestimmtes Set liefern.

Rigid-Flex + MCPCB

In Anwendungen, bei denen eine dünne, flexible Verbindung zu einem hochwärmeleitenden LED-Motor gewünscht wird (z.B. Automobil, Wearables, kompakte Leuchten):

MCPCB wird für den LED-Kopf verwendet
Flex oder Rigid-Flex übernehmen die Verkabelung und Mechanik

Wir fertigen sowohl Flex/Rigid-Flex als auch MCPCB im eigenen Haus und vermeiden so Kompatibilitätsprobleme zwischen verschiedenen Fabriken.

Wie APTPCB zuverlässige LED-MCPCBs herstellt

Das beste LED-MCPCB-Design benötigt immer noch eine Fabrik, die auf realen Produktionslinien enge Prozessfenster einhalten kann.

Bei APTPCB basiert die LED-MCPCB-Produktion auf unserem standardmäßigen Leiterplattenfertigungsprozess, angepasst für Metallkerne und hochwärmeleitende Dielektrika:

Kontrollierte Laminierung von wärmeleitendem Dielektrikum auf Aluminium-/Kupferkerne
Präzises Kupferätzen, auch bei schweren Kupferschichten
Strenge Kontrolle der Dielektrikumdicke und Gleichmäßigkeit über die gesamte Platte
Spezialisiertes Bohren, Fräsen und Entgraten für Metallkerne
Ebenheitskontrolle für große LED-Panels und -Module Da LED-MCPCB Teil unseres breiteren Angebots an Metallkern-Leiterplatten (MCPCB) ist, profitiert es von denselben Werkzeugen, der Prozesskontrolle und der technischen Erfahrung, die wir für Kunden aus den Bereichen Energie, Automobil und Industrie einsetzen.

Wenn Sie Leiterplatten + Bestückung benötigen, können unsere schlüsselfertigen Leiterplattenbestückungsdienste auch die LED-Platzierung, Treiber, Sensoren und den vollständigen Modulaufbau in einem Arbeitsgang übernehmen.

Testen und Validieren der Leistung von LED-MCPCBs

Bei Hochleistungs-LED-Modulen ist „sieht gut aus“ kein Testplan. Wir validieren LED-MCPCBs mittels einer Mischung aus thermischen, elektrischen und mechanischen Prüfungen, die in unser gesamtes Leiterplatten-Qualitätssystem integriert sind.

Wichtige thermische und elektrische Prüfungen umfassen:

Dielektrische Wärmeleitfähigkeit und thermischer Widerstand
- Materialebene-Tests und, wo erforderlich, Messungen der thermischen Impedanz auf Platinenebene.
Durchschlagfestigkeit und Isolation des Dielektrikums
- Hochspannungstests (Hi-Pot) für Sicherheit und Isolationsintegrität zwischen Kupfer und Metallkern.
Ebenheit und Verzug
- Wesentlich für den korrekten Kühlkörperkontakt und die LED-Platzierung.
Querschnittsanalyse
- Zur Überprüfung der Dielektrikumdicke, Haftung, Abwesenheit von Hohlräumen und der Qualität der Kupferätzung.

Für Kunden, die es benötigen, können wir Folgendes unterstützen:

Thermische Zyklen von Musterplatinen
Burn-in- oder Hochtemperatur-Betriebstests
Verifizierung auf Anwendungsebene an bestückten LED-Modulen

Deshalb sind Metallkern-Leiterplatten (MCPCB)

Die besten Ergebnisse erzielen wir, wenn wir frühzeitig genug eingebunden werden, um den Aufbau und die Materialien zu beeinflussen – nicht nur „bauen, was im Gerber ist“.

Für ein neues LED-MCPCB-Wärmemanagementprojekt ist es hilfreich, wenn Sie Folgendes mitteilen können:

Ziel-LED-Typ und -Leistung (z. B. 10 x 3 W LEDs, 50 W COB, UV-LED-Array)
Platinengröße, -form und mechanische Einschränkungen
Ziel-Umgebungstemperatur und maximal zulässige Gehäuse-/Sperrschichttemperatur
Geplantes Kühlkörper- oder Gehäusekonzept (falls vorhanden)
Elektrische Anforderungen (Spannung, Kriech-/Luftstreckenanforderungen, Sicherheitsstandards)
Erwartungen an Lebensdauer und Zuverlässigkeit (Stunden, Umgebung, Zertifizierungen)

Von dort aus kann unser Ingenieurteam:

Einen geeigneten MCPCB-Aufbau und ein Dielektrikum-System empfehlen
Aluminium- vs. Kupferkern und Dicke vorschlagen
Zum Kupfergewicht, Layout und zur Nutzenbildung beraten
Eine fertigungsgerechte DFM-Überprüfung (Design for Manufacturability) bereitstellen, bevor Sie das Design festlegen

Wenn Sie an einem Hochleistungs-LED-Modul arbeiten – sei es für Beleuchtung, Automobil, Industrie, UV oder Display-Hintergrundbeleuchtung – kann APTPCB sowohl als Ihr LED-MCPCB-Designer als auch als Hersteller fungieren und Ihnen helfen, thermische Engpässe in einen Wettbewerbsvorteil statt in Kopfschmerzen zu verwandeln.