Когда вы используете светодиоды мощностью 1 Вт, 5 Вт, 10 Вт и выше, управление тепловым режимом перестает быть деталью и становится ограничением конструкции. Один и тот же светодиод, один и тот же драйвер, одна и та же оптика — но один модуль работает без перегрева годами, в то время как другой выходит из строя раньше срока, меняет цвет или не проходит испытания на надежность.
Разница часто заключается в одном:
насколько хорошо LED MCPCB спроектирована и изготовлена для отвода тепла от p-n перехода светодиода.
Стандартная печатная плата FR-4 с теплопроводностью ~0,2–0,5 Вт/м·К просто не может справиться с современными мощными светодиодами. Вот почему печатные платы с металлическим основанием (MCPCB) — особенно алюминиевые MCPCB для светодиодов — стали стандартной платформой для серьезных применений в освещении, автомобильной промышленности, промышленности и УФ-технологиях.
В APTPCB мы проектируем и производим печатные платы с металлическим основанием и высокоэффективные тепловые решения для клиентов, работающих со светодиодами, по всему миру. Это руководство написано для инженеров по аппаратному обеспечению, инженеров по теплотехнике и владельцев продуктов, которым нужны практические рекомендации по выбору, компоновке и производству LED MCPCB — а не просто теория.
На этой странице
- Почему LED MCPCB важны для проектирования мощных светодиодов
- Основы структуры LED MCPCB и пути отвода тепла
- Ключевые проектные решения для производительности LED MCPCB
- Продвинутые структуры LED MCPCB и когда их использовать
- Как APTPCB производит надежные LED MCPCB
- Тестирование и проверка производительности LED MCPCB
- Работа с APTPCB над вашим следующим LED MCPCB
Вот почему печатные платы с металлическим основанием (MCPCB) важны для проектирования мощных светодиодов
Для маломощных индикаторных светодиодов на FR-4 тепловые проблемы обычно решаемы с помощью медных заливок и приличного корпуса. Для мощных светодиодных модулей все иначе:
- Температура перехода (Tj) контролирует световой поток, стабильность цвета и срок службы.
- Тепло должно проходить через корпус, припой, печатную плату и кожух в окружающую среду.
- Любое узкое место — особенно в печатной плате — проявляется как горячие точки и ранние отказы.
Типичная картина проблем, которую мы наблюдаем до того, как клиенты переходят на правильный LED MCPCB:
- Прототип проходит базовые функциональные тесты, но не проходит термические испытания или испытания на надежность.
- Светильник соответствует спецификации яркости в лаборатории, но быстро теряет ее в полевых условиях.
- Многократные итерации радиатора с небольшим улучшением, потому что узкое место находится внутри печатной платы, а не снаружи.
Именно здесь LED MCPCB добавляет ценность. По сравнению с FR-4, правильно спроектированная печатная плата с металлическим сердечником:
- Снижает тепловое сопротивление между контактной площадкой светодиода и радиатором
- Поддерживает более низкие температуры перехода при том же уровне мощности
- Обеспечивает более высокую плотность мощности или меньшие радиаторы для того же срока службы
Если ваш дизайн включает:
- Мощные светодиодные излучатели или COB
- Компактные корпуса с тепловыми ограничениями
- Наружные, автомобильные, промышленные или УФ-приложения
Тогда начало работы с многослойной структурой LED MCPCB, вместо обычной платы FR-4, обычно сэкономит вам время, переделки и отладку тепловых режимов.
Вот почему печатные платы с металлическим основанием (MCPCB) и основы теплового пути
Большинство LED MCPCB, используемых в освещении, представляют собой однослойные печатные платы с металлическим сердечником с простой, но критически важной структурой:
Медный слой цепи (1–3 унции или толще)
- Переносит ток и действует как первый теплораспределитель.
- Контактная площадка и площадь меди под светодиодом и вокруг него сильно влияют на локальную температуру.
Теплопроводящий диэлектрический слой
- Тонкий (обычно 50–150 мкм) изолирующий слой со значительно более высокой теплопроводностью, чем у FR-4.
- Передает тепло вертикально от меди в металлический сердечник.
- Теплопроводность (k) обычно находится в диапазоне 1–8 Вт/м·К, по сравнению с ~0.3 Вт/м·К для FR-4.
Металлический сердечник (обычно алюминий, иногда медь)
- Действует как встроенный теплораспределитель и механическая основа.
- Алюминиевые сердечники обычно обеспечивают ~180–220 Вт/м·К; медь еще выше, но тяжелее и дороже.
- Толщина обычно 1.0–3.0 мм в зависимости от жесткости и тепловых потребностей.
С тепловой точки зрения путь выглядит как ряд сопротивлений: Переход LED → корпус LED → припой → медная площадка → диэлектрик → металлический сердечник → радиатор/корпус → окружающая среда
Во многих реальных конструкциях диэлектрический слой является доминирующим узким местом печатной платы:
- Если он слишком толстый или имеет низкую теплопроводность, температура перехода быстро повышается.
- Если он тонкий и имеет высокий k, Rθ по всей печатной плате резко падает, давая радиатору реальный шанс работать.
В APTPCB мы начинаем обсуждения LED MCPCB с рассмотрения структуры слоев и теплового пути, а не только толщины меди или контура.
Вот почему печатные платы с металлическим основанием (MCPCB)
Разработка хорошего LED MCPCB в основном сводится к принятию нескольких ключевых решений и обеспечению их масштабируемого производства.
1. Выбор правильной диэлектрической системы
Диэлектрик является сердцем теплового управления LED MCPCB и должен балансировать:
Теплопроводность (k):
- FR-4: ~0.2–0.5 Вт/м·К
- Диэлектрик LED MCPCB: 1.0–8.0+ Вт/м·К
- Более высокий k → более низкое тепловое сопротивление при той же толщине.
Электрическая изоляция и пробивное напряжение:
- Должен безопасно изолировать медные дорожки схемы от металлического сердечника, особенно для сетевых или высоковольтных драйверов.
Толщина и однородность:
- Тоньше = лучше для тепловых характеристик, но постоянство производства критически важно для предотвращения горячих точек. Для различных плотностей мощности и применений мы можем рекомендовать подходящие диэлектрические семейства из нашего портфолио высокотеплопроводных печатных плат (PCB) и материалов с металлическим сердечником.
2. Выбор между алюминиевым и медным сердечником (и толщиной)
Алюминиевые MCPCB
- Стандартный выбор для большинства проектов светодиодного освещения, автомобильной и промышленной электроники.
- Хороший баланс тепловых характеристик, веса и стоимости.
Медные MCPCB
- Используются при экстремальных плотностях мощности или в очень компактных модулях.
- Обеспечивают высочайшую теплопроводность, но при этом имеют более высокую стоимость и вес.
Ключевые компромиссы:
- Требуемые тепловые характеристики (целевые температуры перехода)
- Механическая жесткость и плоскостность
- Ограничения по размеру и весу
- Чувствительность к стоимости
3. Вес меди, компоновка и дизайн контактных площадок
Медный слой является как электрической сетью, так и боковым теплораспределителем:
- Более толстая медь (2 унции, 3 унции и выше) помогает распределять тепло, особенно в многочиповых светодиодных массивах.
- Дизайн контактных площадок на тепловых площадках светодиодов (сплошные против сегментированных) влияет на образование пустот и механическое напряжение.
- Более широкие дорожки и медные заливки вокруг мощных светодиодов снижают локальный рост температуры.
Мы используем наши возможности передового производства печатных плат для сочетания толстой меди с тонкими элементами там, где это необходимо.
4. Цвет паяльной маски и финишное покрытие
Для многих светодиодных модулей предпочтительна белая паяльная маска для повышения отражательной способности. В других конструкциях используются черные или нестандартные цвета для контроля бликов или соответствия промышленному дизайну.
- Мы помогаем вам выбрать комбинации паяльной маски и покрытия, которые остаются цветоустойчивыми при температурах оплавления и эксплуатации.
- Поверхностные покрытия (ENIG, OSP и т. д.) выбираются на основе надежности, процесса сборки и стоимости.
Вот почему печатные платы с металлическим основанием (MCPCB) для светодиодов и когда их использовать
Не все конструкции светодиодов подходят для простой однослойной MCPCB. Для более требовательных продуктов могут использоваться различные примеры и структуры стека MCPCB.
Многослойные MCPCB
Когда вам нужно:
- Более сложная трассировка (например, интегрированные драйверы или сигнальные линии)
- Компактные, высокофункциональные светодиодные модули
мы можем добавить дополнительные слои FR-4 или с высоким Tg поверх металлического сердечника, создавая гибридную многослойную ламинированную структуру. Затем тепло должно проходить через большее количество слоев, поэтому мы очень тщательно подходим к тепловому дизайну и проектированию стека.
Медные монеты / вставки для экстремальных горячих точек
Для светодиодов очень высокой мощности или УФ-источников встраивание сплошных медных монет или стержней непосредственно под светодиод:
- Создает сверхнизкий путь теплового сопротивления от контактной площадки светодиода к металлическому сердечнику или радиатору.
- Требует точной механической обработки и контроля ламинирования.
APTPCB регулярно внедряет эти встроенные медные решения в модулях высокой мощности, где важен каждый градус.
Гибридные конструкции FR-4 + MCPCB
Распространенная архитектура:
- MCPCB для светодиодного модуля
- FR-4 для плат драйверов и управления, соединенных через разъемы или гибкие соединения
Как полноценная фабрика по производству печатных плат, мы можем изготавливать и координировать обе стороны и, при необходимости, поставлять их в виде согласованного комплекта.
Жестко-гибкие платы + MCPCB
В приложениях, где требуется тонкое, гибкое соединение с высокотемпературным светодиодным модулем (например, автомобильная промышленность, носимые устройства, компактные светильники):
- MCPCB используется для светодиодной головки
- Гибкие или жестко-гибкие платы обеспечивают проводку и механику
Мы производим как гибкие/жестко-гибкие платы, так и MCPCB собственными силами, избегая проблем совместимости между фабриками.
Вот почему печатные платы с металлическим основанием (MCPCB)
Даже лучший дизайн светодиодных MCPCB по-прежнему требует фабрики, способной поддерживать жесткие технологические допуски на реальных производственных линиях.
В APTPCB производство светодиодных MCPCB основано на нашем стандартном процессе изготовления печатных плат, адаптированном для металлических сердечников и высокотеплопроводных диэлектриков:
- Контролируемое ламинирование теплопроводящего диэлектрика на алюминиевые/медные сердечники
- Точное травление меди, даже на толстых медных слоях
- Строгий контроль толщины диэлектрика и равномерности по всей панели
- Специализированное сверление, фрезерование и снятие заусенцев для металлических сердечников
- Контроль плоскостности для больших светодиодных панелей и модулей Поскольку светодиодные MCPCB являются частью нашего более широкого предложения печатных плат с металлическим основанием, они используют те же инструменты, контроль процессов и инженерный опыт, которые мы применяем для клиентов в энергетической, автомобильной и промышленной отраслях.
Если вам нужна печатная плата + сборка, наши услуги по сборке печатных плат под ключ также могут обеспечить размещение светодиодов, драйверы, датчики и полную сборку модуля в одном потоке.
Вот почему печатные платы с металлическим основанием (MCPCB)
Для мощных светодиодных модулей «выглядит хорошо» — это не план испытаний. Мы проверяем светодиодные MCPCB, используя комбинацию термических, электрических и механических проверок, интегрированных в нашу общую систему качества печатных плат.
Основные термические и электрические проверки включают:
Теплопроводность диэлектрика и термическое сопротивление
- Испытания на уровне материала и, при необходимости, измерения теплового импеданса на уровне платы.
Пробой диэлектрика и изоляция
- Высоковольтные испытания (Hi-pot) для обеспечения безопасности и целостности изоляции между медью и металлическим основанием.
Плоскостность и коробление
- Важно для правильного контакта с радиатором и размещения светодиодов.
Анализ поперечного сечения
- Для проверки толщины диэлектрика, адгезии, отсутствия пустот и качества травления меди.
Для клиентов, которым это необходимо, мы можем предоставить поддержку в следующем:
- Термоциклирование образцов плат
- Испытания на приработку (burn-in) или работу при повышенной температуре
- Проверка на уровне приложения на собранных светодиодных модулях
Вот почему печатные платы с металлическим основанием (MCPCB)
Наилучшие результаты достигаются, когда мы вовлекаемся достаточно рано, чтобы влиять на структуру слоев и материалы, а не просто «собирать то, что есть в Gerber».
Для нового проекта по управлению тепловыми режимами светодиодных MCPCB будет полезно, если вы сможете предоставить:
- Целевой тип и мощность светодиода (например, 10 светодиодов по 3 Вт, COB 50 Вт, массив УФ-светодиодов)
- Размер, форма платы и механические ограничения
- Целевая температура окружающей среды и максимально допустимая температура корпуса/перехода
- Планируемая концепция радиатора или корпуса (если есть)
- Электрические требования (напряжение, требования к путям утечки/зазорам, стандарты безопасности)
- Ожидания по сроку службы и надежности (часы, среда, сертификации)
Исходя из этого, наша инженерная команда может:
- Рекомендовать подходящую структуру слоев MCPCB и диэлектрическую систему
- Предложить алюминиевый или медный сердечник и его толщину
- Проконсультировать по весу меди, разводке и панелизации
- Провести обзор DFM (проектирование для технологичности), осуществимый с точки зрения производства, прежде чем вы зафиксируете дизайн
Если вы работаете над мощным светодиодным модулем — будь то для освещения, автомобильной промышленности, промышленности, УФ или подсветки дисплеев — APTPCB может выступать как в качестве вашего разработчика, так и производителя светодиодных MCPCB, помогая вам превратить тепловые узкие места в конкурентное преимущество вместо головной боли.