Les applications d'éclairage de haute puissance dépendent fortement des processus d'assemblage et de refusion de LED MCPCB pour gérer efficacement la chaleur et assurer la longévité des composants. Contrairement aux cartes FR4 standard, les cartes de circuits imprimés à âme métallique (MCPCB) agissent comme un dissipateur thermique massif, ce qui modifie fondamentalement le comportement de la pâte à souder, la distribution de la chaleur pendant la refusion et la manière dont les composants doivent être manipulés. Les ingénieurs sont souvent confrontés à des défis tels que des joints de soudure froids dus à une dissipation thermique rapide ou des dommages aux lentilles LED dus à une exposition thermique excessive.
Chez APTPCB (APTPCB PCB Factory), nous sommes spécialisés dans l'optimisation de ces profils thermiques pour garantir des connexions fiables entre les LED de haute puissance et les substrats à dos métallique. Ce guide couvre les règles spécifiques, les spécifications et les étapes de dépannage nécessaires pour maîtriser l'assemblage et la refusion de LED MCPCB.
les cartes de circuits imprimés à âme métallique (MCPCB) : réponse rapide (30 secondes)
- Effet de dissipateur thermique : Le cœur métallique (aluminium ou cuivre) absorbe rapidement la chaleur. Vous devez prolonger la zone de "trempage" (soak zone) dans votre profil de refusion (60 à 120 secondes) pour vous assurer que le PCB atteint la température de soudure avant le pic.
- Sélection de la pâte à souder : Utilisez du SAC305 ou des alliages de haute fiabilité. Évitez les pâtes à basse température pour les LED de haute puissance, sauf si la spécification du composant l'exige strictement, car les températures de fonctionnement peuvent refondre les joints faibles.
- Conception du pochoir : Pour les grands tampons thermiques sous les LED, utilisez une conception d'ouverture en forme de fenêtre (couverture de 50 à 70 %) pour permettre le dégazage et éviter les vides massifs qui bloquent le transfert de chaleur.
- Taux de refroidissement : Ne refroidissez pas trop vite (>3°C/sec). Un refroidissement rapide sur un noyau métallique provoque un choc thermique et une déformation due à la désadaptation du coefficient de dilatation thermique (CTE) entre le diélectrique, le cuivre et la plaque métallique.
- Protection des lentilles : Les lentilles en silicone des LED sont souples. Assurez-vous que les buses de pick-and-place saisissent le corps du boîtier, et non la lentille, pour éviter toute déformation.
- Validation : L'inspection aux rayons X est obligatoire pour le tampon thermique sous la LED. Une formation de vides >25 % est généralement un échec pour les applications haute puissance.
les cartes de circuits imprimés à âme métallique (MCPCB) LED s'appliquent (et quand ils ne s'appliquent pas)
Comprendre quand passer du FR4 standard à un processus à âme métallique est essentiel pour le coût et la performance.
Quand utiliser l'assemblage MCPCB LED
- Densité de puissance élevée : Applications >1W par LED ou réseaux haute densité (par exemple, phares automobiles, éclairage public, éclairage de stade).
- Criticité de la gestion thermique : Lorsque les températures de jonction ($T_j$) approchent la limite du fabricant (généralement 125°C ou 150°C) en utilisant du FR4 standard.
- Rigidité structurelle : Environnements nécessitant une stabilité mécanique où le PCB sert également de partie du châssis.
- Exigences de longue durée de vie : Éclairage industriel ou aérospatial où plus de 50 000 heures de fonctionnement sont attendues sans dépréciation du flux lumineux causée par la surchauffe.
Quand NE PAS l'utiliser (Restez sur le FR4)
- Indicateurs de faible puissance : LED de statut ou rétroéclairages d'écran où le courant est <20mA.
- Routage complexe : Les MCPCB sont généralement monocouches. Si vous avez besoin de plus de 4 couches de routage de signal complexe, une PCB multicouche standard avec des vias thermiques est souvent meilleure et moins chère.
- Haute fréquence/RF : Le couplage capacitif entre la piste de cuivre et le noyau métallique peut déformer les signaux à haute vitesse.
- Jouets de consommation sensibles au coût : Si la chaleur ne détruit pas l'appareil, le surcoût de 2 à 5 fois des MCPCB n'est pas justifié.
les cartes de circuits imprimés à âme métallique (MCPCB) LED (paramètres clés et limites)
L'assemblage et la refusion réussis des MCPCB LED dépendent du respect de paramètres physiques et thermiques stricts.
| Règle / Paramètre | Valeur / Plage recommandée | Pourquoi c'est important | Comment vérifier | Si ignoré |
|---|---|---|---|---|
| Conductivité thermique diélectrique | 1,0 – 3,0 W/mK (Standard) jusqu'à 8,0 W/mK | Détermine la vitesse à laquelle la chaleur se déplace de la LED vers le noyau métallique. | Fiche technique / ASTM D5470 | La LED surchauffe ; dégradation rapide du flux lumineux. |
| Tension de claquage diélectrique | >3kV AC (Typique) | Empêche l'amorçage entre le circuit et le châssis métallique. | Test Hi-Pot | Court-circuit vers le châssis ; risque de sécurité. |
| Poids de la feuille de cuivre | 1oz – 3oz (35µm – 105µm) | Le cuivre plus épais diffuse la chaleur latéralement avant qu'elle ne monte verticalement. | Analyse de microsection | Des points chauds se forment sous la puce LED. |
| Alliage de pâte à souder | SAC305 (Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5) | Alliage standard sans plomb avec une bonne résistance à la fatigue. | Analyse XRF | Fissuration des joints sous cyclage thermique. |
| Température de pointe de refusion | 235°C – 245°C | Assure un mouillage complet sans endommager la lentille LED. | Profileur thermique | Joints froids (trop bas) ou fusion de la lentille (trop haut). |
| Temps au-dessus du liquidus (TAL) | 45 – 75 secondes | Permet à la soudure de mouiller et au flux de s'activer pleinement. | Profileur thermique | Mauvais mouillage ou croissance intermétallique excessive. |
| Temps de trempage en refusion (150-200°C) | 60 – 120 secondes | Permet au noyau métallique lourd d'atteindre l'équilibre. | Profileur thermique | Effet "tombstoning" ; formation de billes de soudure ; joints froids. |
| Pourcentage de vides (Pad thermique) | < 25% (Général), < 10% (Haute fiabilité) | Les poches d'air bloquent le transfert de chaleur. | Inspection aux rayons X | La LED surchauffe malgré un bon matériau MCPCB. |
| Finition de surface | ENIG ou OSP | Surface plane pour les LED à pas fin ; bonne durée de conservation. | Visuel / XRF | Hauteur de pâte à souder inégale ; mauvais mouillage. |
| Épaisseur du pochoir | 4mil – 6mil (0.10mm – 0.15mm) | Contrôle le volume de soudure. | Jauge de tension / Micromètre | Pontage de soudure (trop épais) ou soudure insuffisante (trop mince). |
| Flèche/Torsion du PCB | < 0.75% | Le noyau métallique peut se déformer pendant la refusion. | Jauge de planéité | Contrainte d'assemblage ; difficulté de montage sur le dissipateur thermique. |
les cartes de circuits imprimés à âme métallique (MCPCB) (points de contrôle du processus)
L'exécution de l'assemblage et du refusion de LED MCPCB nécessite un flux de processus SMT modifié.
Examen de la conception pour la fabrication (DFM)
- Action : Vérifiez que l'empreinte de la LED correspond à la conception du pochoir. Assurez-vous que le pad thermique sur le PCB n'est pas plus grand que le pad du composant pour éviter le flottement/le décalage.
- Vérification : Confirmez que l'épaisseur diélectrique et la conductivité thermique correspondent aux exigences de dissipation thermique.
- Lien : Consultez les Directives DFM pour les contraintes spécifiques aux noyaux métalliques.
Impression de la pâte à souder
- Action : Appliquez de la pâte SAC305. Utilisez un pochoir avec une réduction d'ouverture "en carreaux de fenêtre" (couverture de 50 à 70 %) sur le grand pad thermique central.
- Paramètre clé : Cette segmentation permet aux gaz de flux volatils de s'échapper par des canaux, réduisant ainsi la formation de vides.
- Vérification : Inspectez la hauteur et l'alignement de la pâte à l'aide de l'SPI (Solder Paste Inspection).
Placement des composants
- Action : Placez les LED à l'aide d'une machine de placement équipée de buses souples ou spécialisées.
- Paramètre clé : La force de placement doit être minimale pour éviter de fissurer la base céramique ou de déformer la lentille en silicone.
- Vérification : Vérification visuelle que la buse touche le corps du boîtier, et non le dôme optique.
Profilage de refusion (L'étape critique)
- Action : Configurer le four de refusion avec un profil spécifique pour une masse thermique élevée.
- Paramètre clé : Augmenter la durée de la "Zone de trempage" (Soak Zone). Le cœur métallique est en retard par rapport à la température de l'air. Si l'air est à 250°C, la carte pourrait n'être qu'à 220°C. Vous avez besoin de temps pour que le métal rattrape son retard.
- Vérification : Fixer des thermocouples directement à la surface du MCPCB (pas seulement la sonde d'air) pour valider la température réelle de la carte.
Soudure par refusion
- Action : Faire passer l'assemblage dans le four.
- Paramètre clé : La température de pointe doit être maintenue suffisamment longtemps pour le mouillage, mais assez courte pour éviter le jaunissement de la lentille (généralement <260°C maximum absolu).
- Vérification : S'assurer que la vitesse du convoyeur permet le temps de trempage prolongé.
Refroidissement
- Action : Refroidir l'assemblage jusqu'à la température ambiante.
- Paramètre clé : Taux de refroidissement contrôlé (<3°C/sec). L'aluminium se contracte plus rapidement que le cuivre/la soudure. Un refroidissement rapide fixe les contraintes, entraînant des cartes déformées ou des joints fissurés.
- Vérification : Contrôle visuel de la planéité de la carte immédiatement après la sortie.
Inspection optique et aux rayons X
- Action : Effectuer une AOI pour la présence et la polarité des composants. Effectuer une inspection aux rayons X pour le pad thermique.
- Paramètre clé : Vérifier que le taux de vide est inférieur à la limite spécifiée (par exemple, <25%).
- Vérification : Réussite/Échec basé sur le pourcentage de vide et la qualité du congé de soudure.
Dépannélisation et manipulation
- Action : Séparer les cartes si elles sont en panneau.
- Paramètre clé : Utilisez des séparateurs à découpe en V ou des outils de poinçonnage conçus pour le métal. Ne pas casser à la main, car la contrainte de flexion fissure les LED céramiques.
- Vérification : Inspectez les bords pour détecter les bavures qui pourraient compromettre l'isolation électrique.
les cartes de circuits imprimés à âme métallique (MCPCB) (modes de défaillance et correctifs)
Lorsque l'assemblage et le refusion des LED MCPCB se passent mal, les symptômes sont généralement thermiques ou mécaniques.
1. Effet de "pierre tombale" ou désalignement des LED
- Symptôme : La LED se dresse sur une extrémité ou pivote hors des pastilles.
- Cause : Chauffage inégal. Le noyau métallique agit comme un dissipateur thermique. Si une pastille est connectée à un grand plan de cuivre et l'autre non, la soudure fond à des moments différents.
- Solution : Utilisez des connexions de décharge thermique sur les pastilles (si la conception électrique le permet) ou ajustez le temps de trempage en refusion pour égaliser les températures sur toute la carte.
2. Forte formation de vides dans le pad thermique
- Symptôme : La radiographie montre de grandes bulles d'air (>30%) sous la LED.
- Cause : Composés volatils du flux piégés sous le grand composant ; ouverture du pochoir trop grande (couverture à 100%).
- Solution : Modifiez la conception du pochoir pour un motif en forme de vitre (4 petits carrés au lieu d'un grand carré). Cela crée des canaux pour que le gaz puisse s'échapper.
3. Soudures froides
- Symptôme : Soudure terne et granuleuse ; résistance électrique élevée ; fonctionnement intermittent des LED.
- Cause : Le noyau métallique a aspiré la chaleur trop rapidement ; le profil de refusion n'a pas tenu compte de la masse thermique.
- Correction : Augmentez le temps de trempage et potentiellement la température de pointe. Assurez-vous que le four dispose d'une énergie de convection suffisante.
4. Déformation / Décoloration de la lentille LED
- Symptôme : Le dôme en silicone est écrasé ou a jauni.
- Cause : Température de refusion trop élevée, ou buse de placement a appuyé sur la lentille.
- Correction : Vérifiez la fiche technique de la LED pour la température maximale (souvent 260°C pendant 10s). Passez à une buse qui saisit les côtés de la LED.
5. Claquage diélectrique (Échec Hi-Pot)
- Symptôme : Court-circuit entre le circuit en cuivre et la base en aluminium.
- Cause : Des bavures de perçage ou de routage ont pénétré la couche diélectrique ; ou la couche diélectrique est trop fine pour la tension.
- Correction : Améliorez la finition des bords (ébavurage) et assurez-vous que les spécifications de la carte PCB à âme métallique répondent à la tension d'isolation requise (par exemple, 3kV).
6. Déformation de la carte PCB
- Symptôme : La carte est courbée ; elle ne repose pas à plat sur le dissipateur thermique.
- Cause : Désadaptation du CTE lors d'un refroidissement ou d'un chauffage rapide.
- Correction : Ralentissez le taux de rampe de refroidissement. Assurez-vous que l'épaisseur aluminium/cuivre est équilibrée avec la contrainte diélectrique.
les cartes de circuits imprimés à âme métallique (MCPCB) (Comment choisir les matériaux)
Le succès de l'assemblage commence par la sélection des matières premières.
Noyau en aluminium vs. Noyau en cuivre
- Aluminium: Standard pour 90 % des applications LED. Bonne conductivité thermique (~200 W/mK pour le métal, bien que le système soit limité par le diélectrique). Moins cher et plus léger.
- Cuivre: Utilisé pour une densité de puissance extrême. Le cuivre a une conductivité d'environ 390 W/mK. Il diffuse la chaleur plus rapidement mais est plus lourd et nettement plus cher. À utiliser uniquement si l'aluminium échoue à la simulation thermique.
Épaisseur de la couche diélectrique
- Plus mince (par exemple, 75µm): Meilleur transfert thermique (résistance thermique plus faible) mais protection contre les claquages de tension plus faible.
- Plus épais (par exemple, 150µm): Meilleure isolation électrique (indice Hi-Pot plus élevé) mais résistance thermique plus élevée.
- Décision: Si votre LED fonctionne à basse tension (12V/24V), privilégiez un diélectrique plus mince pour un meilleur refroidissement. Si elle fonctionne sur la tension secteur (110V/220V) embarquée, vous avez besoin d'une isolation plus épaisse.
les cartes de circuits imprimés à âme métallique (MCPCB) LED (Examen de la conception pour la fabrication (DFM), empilement, inspection AOI, inspection aux rayons X)
1. Pourquoi mon MCPCB LED nécessite-t-il un profil de refusion différent de celui du FR4 ? Le noyau métallique absorbe la chaleur beaucoup plus rapidement que la fibre de verre FR4. Un profil standard entraînera une carte trop froide lorsqu'elle atteindra la zone de pointe, provoquant des joints de soudure froids. Vous devez prolonger le temps de trempage pour permettre au métal de chauffer.
2. Puis-je retravailler ou réparer une LED sur un MCPCB ? Oui, mais c'est difficile. Un fer à souder standard ne fonctionnera pas car la carte dissipe la chaleur. Vous avez besoin d'une plaque chauffante (préchauffeur) réglée à ~100-150°C pour augmenter la température de base de la carte avant d'utiliser un pistolet à air chaud ou un fer à souder.
3. Quelle est la meilleure finition de surface pour les MCPCB LED ? L'ENIG (Nickel Chimique Or Immersion) ou l'OSP (Préservatif de Soudabilité Organique) sont les meilleurs. Le HASL est souvent trop irrégulier pour les LED à pas fin et peut provoquer l'inclinaison du composant, affectant l'angle du faisceau optique.
4. Comment réduire les vides dans le pad thermique ? Utilisez un design de pochoir en forme de fenêtre (couverture de 50-70%) plutôt que d'imprimer la pâte sur 100% du pad. Cela permet aux gaz de flux de s'échapper.
5. Quelle est la température maximale pour le refusion des LED ? La plupart des LED de haute puissance sont conçues pour un pic de 260°C pendant un maximum de 10 secondes. Dépasser cette limite peut endommager la lentille en silicone ou les liaisons filaires internes.
6. Dois-je utiliser de la pâte thermique ou un pad thermique sous le MCPCB ? Oui. Le MCPCB transfère la chaleur de la LED vers l'arrière de la carte. Vous avez toujours besoin d'un matériau d'interface thermique (TIM) pour transférer cette chaleur de la carte vers le dissipateur thermique/châssis externe.
7. APTPCB peut-il fabriquer et assembler ces cartes ? Oui, APTPCB gère à la fois la fabrication du PCB à âme métallique et l'assemblage SMT, garantissant que le profil thermique correspond parfaitement aux spécifications de la carte.
8. Quel est le délai typique pour l'assemblage de MCPCB LED ? Une fois les pièces approvisionnées, l'assemblage prend généralement 24 à 72 heures pour les prototypes. Le principal facteur de délai est généralement la fabrication du PCB (3 à 5 jours) et l'approvisionnement en composants.
9. Comment testez-vous la connexion thermique ? Les rayons X sont le test non destructif standard pour vérifier la couverture de la soudure et les vides sur le pad thermique. Les tests fonctionnels impliquent de faire fonctionner la LED et de mesurer l'élévation de température au fil du temps.
10. Un MCPCB monocouche ou multicouche est-il préférable ? Le monocouche est le meilleur pour les performances thermiques car le chemin de la chaleur est direct. Les MCPCB multicouches introduisent des couches d'isolation supplémentaires qui entravent le flux de chaleur, il faut donc les éviter à moins que le routage ne l'exige.
les cartes de circuits imprimés à âme métallique (MCPCB) LED (termes clés)
| Terme | Définition |
|---|---|
| MCPCB | Circuit Imprimé à Noyau Métallique (Metal Core Printed Circuit Board). Un PCB avec un matériau de base métallique (généralement de l'aluminium ou du cuivre) pour la dissipation de la chaleur. |
| IMS | Substrat Métallique Isolé (Insulated Metal Substrate). Un autre nom pour la technologie MCPCB. |
| Dielectric Layer | La couche électriquement isolante mais thermiquement conductrice entre le circuit en cuivre et la base métallique. |
| Thermal Conductivity (W/mK) | Une mesure de la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Plus elle est élevée, mieux c'est pour les LED. |
| CTE | Coefficient de Dilatation Thermique (Coefficient of Thermal Expansion). Le taux auquel un matériau se dilate lorsqu'il est chauffé. Les déséquilibres provoquent le gauchissement. |
| Soak Zone | La partie du profil de refusion où la température est maintenue constante (par exemple, 150°C) pour égaliser la chaleur sur l'ensemble de l'assemblage. |
| TAL | Temps au-dessus du liquidus. Durée pendant laquelle la soudure reste fondue lors du refusion (généralement 45-75 secondes). |
| Voiding | Poches d'air ou de gaz piégées à l'intérieur d'un joint de soudure. Un taux de vide élevé réduit le transfert thermique. |
| Tombstoning | Un défaut où un composant se dresse sur une extrémité pendant la refusion en raison de forces de mouillage inégales. |
| SAC305 | L'alliage de soudure sans plomb le plus courant (Étain-Argent-Cuivre) utilisé dans l'assemblage SMT. |
| TIM | Matériau d'interface thermique. Graisse ou tampons utilisés entre le MCPCB et le dissipateur thermique final. |
les cartes de circuits imprimés à âme métallique (MCPCB) LED (Examen de la conception pour la fabrication (DFM) + prix)
Prêt à mettre votre conception de LED haute puissance en production ? APTPCB propose des revues DFM intégrées pour détecter les problèmes thermiques et de disposition avant le début de l'assemblage.
Ce qu'il faut envoyer pour un devis :
- Fichiers Gerber : Y compris les couches de pâte à souder et de pochoir.
- BOM (Nomenclature) : Spécifiez le numéro de pièce exact de la LED (critique pour la vérification de l'empreinte).
- Plan d'assemblage : Indiquez l'orientation de la LED (marques cathode/anode).
- Spécifications : Conductivité diélectrique souhaitée (par exemple, 2W/mK) et poids du cuivre.
les cartes de circuits imprimés à âme métallique (MCPCB) LED
Maîtriser l'assemblage et le refusion des LED MCPCB consiste à gérer la masse thermique de la carte. En ajustant votre profil de refusion pour inclure un temps de trempage plus long, en optimisant les ouvertures du pochoir pour réduire les vides, et en contrôlant les vitesses de refroidissement pour éviter le gauchissement, vous pouvez obtenir des produits d'éclairage robustes et performants. Que vous fabriquiez des phares automobiles ou des lampes de culture industrielles, le respect de ces spécifications garantit que vos LED fonctionnent à basse température et durent toute leur durée de vie nominale.