Lorsque vous poussez les LED dans la gamme de 1W, 5W, 10W et au-delà, la gestion thermique cesse d'être un détail et devient la contrainte de conception. Même LED, même pilote, même optique—pourtant un module fonctionne à basse température pendant des années tandis qu'un autre tombe en panne prématurément, dérive en couleur ou ne peut pas passer les tests de fiabilité.
La différence réside souvent en un seul point :
la qualité de la conception et de la fabrication du MCPCB LED pour évacuer la chaleur de la jonction de la LED.
Un PCB FR-4 standard avec une conductivité thermique d'environ 0,2 à 0,5 W/m·K ne peut tout simplement pas suivre le rythme des LED modernes de haute puissance. C'est pourquoi les PCB à âme métallique (MCPCB)—en particulier les MCPCB en aluminium pour LED—sont devenus la plateforme par défaut pour les applications d'éclairage, automobiles, industrielles et UV sérieuses.
Chez APTPCB, nous concevons et fabriquons des PCB à âme métallique et des solutions thermiques performantes pour les clients LED du monde entier. Ce guide est destiné aux ingénieurs hardware, aux ingénieurs thermiques et aux chefs de produit qui souhaitent des conseils pratiques sur la sélection, l'empilement et la fabrication des MCPCB LED—et non pas seulement de la théorie.
Sur cette page
- Pourquoi le MCPCB LED est important pour la conception de LED de haute puissance
- Principes de base de l'empilement du MCPCB LED et du chemin de chaleur
- Décisions de Conception Clés pour la Performance des MCPCB LED
- Structures Avancées de MCPCB LED et Quand les Utiliser
- Comment APTPCB Fabrique des MCPCB LED Fiables
- Test et Validation des Performances des MCPCB LED
- Travailler avec APTPCB sur Votre Prochain MCPCB LED
PCB à âme métallique (MCPCB) LED Sont Essentiels pour la Conception de LED de Haute Puissance
Pour les LED indicatrices de faible puissance sur FR-4, les problèmes thermiques sont généralement gérables avec des plans de masse en cuivre et un boîtier décent. Pour les modules LED de haute puissance, c'est différent :
- La température de jonction (Tj) contrôle le flux lumineux, la stabilité des couleurs et la durée de vie.
- La chaleur doit traverser le boîtier, la soudure, le PCB et le logement jusqu'à l'environnement.
- Tout goulot d'étranglement — en particulier dans le PCB — se manifeste par des points chauds et des défaillances précoces.
Un schéma de problèmes typique que nous observons avant que les clients ne passent à un MCPCB LED approprié :
- Le prototype réussit les tests fonctionnels de base mais échoue aux tests thermiques ou de fiabilité.
- Le luminaire répond aux spécifications de luminosité en laboratoire, mais diminue rapidement sur le terrain.
- Plusieurs itérations de dissipateur thermique avec peu d'amélioration car le goulot d'étranglement se trouve à l'intérieur du PCB, pas à l'extérieur.
C'est exactement là qu'un MCPCB LED apporte de la valeur. Comparé au FR-4, un PCB à âme métallique correctement conçu :
- Réduit la résistance thermique entre le pad LED et le dissipateur thermique
- Maintient les températures de jonction plus basses au même niveau de puissance
- Permet une densité de puissance plus élevée ou des dissipateurs thermiques plus petits pour la même durée de vie
Si votre conception inclut :
- Émetteurs LED haute puissance ou COB
- Boîtiers compacts et thermiquement contraints
- Applications extérieures, automobiles, industrielles ou UV
Alors, partir d'un empilement MCPCB LED, au lieu d'une carte FR-4 générique, vous fera généralement gagner du temps, des refontes et du débogage thermique.
PCB à âme métallique (MCPCB) LED et Principes de Base du Chemin Thermique
La plupart des MCPCB LED utilisés dans l'éclairage sont des PCB à âme métallique monocouche avec un empilement simple mais critique :
Couche de Circuit en Cuivre (1–3 oz ou plus épaisse)
- Transporte le courant et agit comme le premier diffuseur de chaleur.
- L'empreinte et la zone de cuivre sous et autour de la LED influencent fortement la température locale.
Couche Diélectrique Thermiquement Conductrice
- Couche isolante mince (généralement 50–150 μm) avec une conductivité thermique beaucoup plus élevée que le FR-4.
- Transfère la chaleur verticalement du cuivre vers l'âme métallique.
- La conductivité thermique (k) est généralement dans la plage de 1–8 W/m·K, contre ~0.3 W/m·K pour le FR-4.
Âme Métallique (généralement aluminium, parfois cuivre)
- Agit comme un diffuseur de chaleur intégré et une épine dorsale mécanique.
- Les âmes en aluminium offrent typiquement ~180–220 W/m·K ; le cuivre est encore plus élevé mais plus lourd et plus cher.
- Épaisseur couramment de 1.0–3.0 mm selon la rigidité et les besoins thermiques.
D'un point de vue thermique, le chemin ressemble à une série de résistances : Jonction LED → boîtier LED → soudure → pastille de cuivre → diélectrique → âme métallique → dissipateur thermique/boîtier → ambiant
Dans de nombreuses conceptions réelles, la couche diélectrique est le principal goulot d'étranglement du PCB :
- Si elle est trop épaisse ou a une faible conductivité thermique, les températures de jonction augmentent rapidement.
- Si elle est mince et a un k élevé, la Rθ à travers le PCB chute fortement, donnant au dissipateur thermique une réelle chance de fonctionner.
Chez APTPCB, nous commençons les discussions sur les MCPCB LED par l'empilement et le chemin de la chaleur, et non seulement par l'épaisseur du cuivre ou le contour.
PCB à âme métallique (MCPCB) LED
Concevoir un bon MCPCB LED consiste principalement à prendre correctement quelques décisions clés et à s'assurer qu'elles sont fabricables à grande échelle.
1. Choisir le Bon Système Diélectrique
Le diélectrique est le cœur de la gestion thermique des MCPCB LED et doit équilibrer :
Conductivité thermique (k) :
- FR-4: ~0.2–0.5 W/m·K
- Diélectrique MCPCB LED: 1.0–8.0+ W/m·K
- k plus élevé → résistance thermique plus faible pour la même épaisseur.
Isolation électrique et tension de claquage :
- Doit isoler en toute sécurité le cuivre du circuit de l'âme métallique, en particulier pour les pilotes secteur ou haute tension.
Épaisseur et uniformité :
- Plus mince = meilleur pour les performances thermiques, mais la cohérence de fabrication est essentielle pour éviter les points chauds. Pour différentes densités de puissance et applications, nous pouvons recommander des familles de diélectriques adaptées parmi notre portefeuille de PCB à haute conductivité thermique et de matériaux à âme métallique.
2. Sélection du noyau en aluminium ou en cuivre (et de l'épaisseur)
MCPCB en aluminium
- Choix standard pour la plupart des projets d'éclairage LED, automobiles et industriels.
- Bon équilibre entre performances thermiques, poids et coût.
MCPCB à noyau en cuivre
- Utilisé dans des densités de puissance extrêmes ou des modules très compacts.
- Offre la conductivité thermique la plus élevée, mais à un coût et un poids supérieurs.
Compromis clés:
- Performances thermiques requises (objectifs de température de jonction)
- Rigidité mécanique et planéité
- Limites de taille et de poids
- Sensibilité au coût
3. Poids du cuivre, conception du routage et des pastilles
La couche de cuivre est à la fois le réseau électrique et le dissipateur thermique latéral:
- Un cuivre plus épais (2 oz, 3 oz et plus) aide à diffuser la chaleur, en particulier dans les réseaux de LED multi-puces.
- La conception des pastilles sur les plots thermiques des LED (solides ou segmentées) affecte la formation de vides et les contraintes mécaniques.
- Des pistes plus larges et des plans de cuivre autour des LED de haute puissance réduisent l'élévation de température locale.
Nous utilisons nos capacités de fabrication avancée de PCB pour combiner du cuivre épais avec des caractéristiques fines là où c'est nécessaire.
4. Couleur du masque de soudure et finition de surface
Pour de nombreux modules LED, un masque de soudure blanc est préféré pour augmenter la réflectivité. Dans d'autres conceptions, des couleurs noires ou personnalisées sont utilisées pour contrôler l'éblouissement ou correspondre au design industriel.
- Nous vous aidons à choisir des combinaisons de masque de soudure et de finition qui restent stables en couleur sous les températures de refusion et de fonctionnement.
- Les finitions de surface (ENIG, OSP, etc.) sont sélectionnées en fonction de la fiabilité, du processus d'assemblage et du coût.
PCB à âme métallique (MCPCB) LED avancées et quand les utiliser
Tous les designs de LED ne s'intègrent pas dans un simple MCPCB monocouche. Pour des produits plus exigeants, différents exemples et structures d'empilement MCPCB peuvent être utilisés.
MCPCB multicouche
Lorsque vous avez besoin de :
- Routage plus complexe (par exemple, pilotes intégrés ou lignes de signal)
- Modules LED compacts et à haute fonctionnalité
nous pouvons ajouter des couches supplémentaires de FR-4 ou à Tg élevé sur le noyau métallique, créant une structure laminée multicouche hybride. La chaleur doit alors traverser plus de couches, nous traitons donc la conception thermique et l'ingénierie de l'empilement très soigneusement.
Pièces / Incrustations en cuivre pour points chauds extrêmes
Pour les LED de très haute puissance ou les sources UV, l'intégration de pièces ou de pastilles de cuivre solides directement sous la LED :
- Crée un chemin de résistance thermique ultra-faible du pad LED au noyau métallique ou au dissipateur thermique.
- Nécessite un usinage précis et un contrôle de la lamination.
APTPCB met en œuvre de manière routinière ces solutions de cuivre intégré dans les modules de haute puissance où chaque degré compte.
Conceptions hybrides FR-4 + MCPCB
Une architecture courante :
- MCPCB pour le moteur LED
- FR-4 pour les cartes de pilote et de contrôle, connectées via des connecteurs ou des circuits flexibles
En tant qu'usine de PCB complète, nous pouvons construire et coordonner les deux côtés et, si nécessaire, les fournir comme un ensemble assorti.
Rigid-Flex + MCPCB
Dans les applications où vous souhaitez une connexion fine et flexible à un moteur LED à haute température (par exemple, automobile, dispositifs portables, luminaires compacts) :
- Le MCPCB est utilisé pour la tête LED
- Les circuits flexibles ou rigides-flexibles gèrent le câblage et la mécanique
Nous fabriquons en interne les circuits flexibles/rigides-flexibles et les MCPCB, évitant ainsi les problèmes de compatibilité entre usines.
PCB à âme métallique (MCPCB) LED fiables
Même la meilleure conception de MCPCB LED nécessite toujours une usine capable de maintenir des fenêtres de processus strictes sur des lignes de production réelles.
Chez APTPCB, la production de MCPCB LED est basée sur notre processus de fabrication de PCB standard, adapté aux noyaux métalliques et aux diélectriques à haute conductivité thermique :
- Stratification contrôlée du diélectrique thermiquement conducteur sur des noyaux en aluminium/cuivre
- Gravure précise du cuivre, même sur des couches de cuivre épaisses
- Contrôle strict de l'épaisseur et de l'uniformité du diélectrique sur l'ensemble du panneau
- Perçage, routage et ébavurage spécialisés pour les noyaux métalliques
- Contrôle de la planéité pour les grands panneaux et modules LED Étant donné que le MCPCB LED fait partie de notre offre plus large de PCB à âme métallique, il bénéficie des mêmes outils, du même contrôle de processus et de la même expérience en ingénierie que ceux que nous utilisons pour nos clients des secteurs de l'énergie, de l'automobile et de l'industrie.
Si vous avez besoin de PCB + assemblage, nos services d'assemblage de PCB clé en main peuvent également gérer le placement des LED, les drivers, les capteurs et la construction complète du module en un seul flux.
PCB à âme métallique (MCPCB) LED
Pour les modules LED de haute puissance, « ça a l'air bien » n'est pas un plan de test. Nous validons les MCPCB LED en utilisant un mélange de contrôles thermiques, électriques et mécaniques, intégrés dans notre système global de qualité des PCB.
Les principaux contrôles thermiques et électriques comprennent :
Conductivité thermique diélectrique et résistance thermique
- Tests au niveau du matériau et, si nécessaire, mesures d'impédance thermique au niveau de la carte.
Rigidité diélectrique et isolation
- Tests Hi-pot pour la sécurité et l'intégrité de l'isolation entre le cuivre et l'âme métallique.
Planéité et gauchissement
- Essentiel pour un contact correct du dissipateur thermique et le placement des LED.
Analyse en coupe transversale
- Pour vérifier l'épaisseur du diélectrique, l'adhérence, l'absence de vides et la qualité de la gravure du cuivre.
Pour les clients qui en ont besoin, nous pouvons prendre en charge :
- Cycles thermiques de cartes échantillons
- Tests de rodage (burn-in) ou de fonctionnement à température élevée
- Vérification au niveau de l'application sur les modules LED assemblés
PCB à âme métallique (MCPCB) LED
Les meilleurs résultats sont obtenus lorsque nous sommes impliqués suffisamment tôt pour influencer l'empilement et les matériaux – et non pas seulement « construire ce qui est dans le Gerber ».
Pour un nouveau projet de gestion thermique de MCPCB LED, il est utile que vous puissiez partager :
- Type et puissance de LED cible (ex. 10 LED de 3 W, COB de 50 W, réseau de LED UV)
- Taille, forme de la carte et contraintes mécaniques
- Température ambiante cible et température maximale autorisée du boîtier/de la jonction
- Concept de dissipateur thermique ou de boîtier prévu (le cas échéant)
- Exigences électriques (tension, besoins en distances de fuite/d'isolement, normes de sécurité)
- Attentes en matière de durée de vie et de fiabilité (heures, environnement, certifications)
À partir de là, notre équipe d'ingénieurs peut :
- Recommander un empilement MCPCB et un système diélectrique adaptés
- Suggérer un noyau en aluminium ou en cuivre et son épaisseur
- Conseiller sur le poids du cuivre, la disposition et la panelisation
- Fournir un examen DFM (Design for Manufacturability) réalisable en fabrication avant que vous ne figiez la conception
Si vous travaillez sur un module LED haute puissance — que ce soit pour l'éclairage, l'automobile, l'industrie, les UV ou le rétroéclairage d'écran — APTPCB peut agir à la fois comme votre concepteur et fabricant de MCPCB LED, vous aidant à transformer les goulots d'étranglement thermiques en un avantage concurrentiel plutôt qu'en un casse-tête.