Aluminium-gebaseerde PCB's: het verhogen van LED-vermogen en -prestaties

Klant-anthroseerde beelden

Lichtdioden (LED's) hebben een revolutie in de verlichting teweeggebracht door hun energie-efficiëntie en lange levensduur, maar hun prestaties hangen af van één cruciale factor: warmtebeheer.LED's zetten slechts 20~30% van de energie om in licht, de rest wordt warmte.Zonder effectieve afvoer, deze warmte opbouwt, het verminderen van de helderheid, verschuiving van de kleurtemperatuur, en het snijden van de levensduur met 50% of meer.de onbekende helden van high-performance LED-systemenDeze gespecialiseerde PCB's zijn ontworpen om warmte van LED-chips af te trekken en efficiënt te verspreiden.Deze gids onderzoekt hoe aluminium-ondersteunde PCB's de LED-prestaties verbeteren, hun ontwerpnuances en waarom ze onmisbaar zijn geworden in de moderne verlichting.

Belangrijkste lessen
1.Aluminium-ondersteunde PCB's verminderen de LED-koppeltemperaturen met 20-40 °C in vergelijking met standaard FR4-PCB's, waardoor de levensduur van de LED van 30.000 tot 50.000+ uur wordt verlengd.
2.Ze zorgen voor een 30~50% hogere vermogendichtheid in LED-armaturen, waardoor een helderder vermogen wordt bereikt (bijv. 150lm/W versus 100lm/W met FR4).
3.De thermische geleidbaarheid van aluminium-ondersteunde PCB's (1 5 W/m·K) overtreft de standaard FR4 (0,2 0,3 W/m·K) met 5 25x, wat cruciaal is voor LED's met een hoog vermogen (10 W+).
4Ontwerpfactoren zoals dielektrische laagdikte, kopergewicht en aluminiumkerngrootte hebben een directe invloed op de thermische prestaties.

Wat zijn aluminium-gesteunde PCB's voor LED's?
Aluminum-backed PCBs (also called aluminum core PCBs or MCPCBs for metal core printed circuit boards) are specialized substrates where a thin layer of thermally conductive dielectric material bonds a copper circuit layer to a thick aluminum baseIn tegenstelling tot standaard FR4-PCB's, die als thermische isolatoren fungeren, fungeren aluminium-gesteunde PCB's als zowel elektrische geleiders als warmteafvoerders.

Structuur van de lagen
a.Aluminiumkern: de dikste laag (0,8 ∼3,0 mm), vervaardigd van aluminiumlegering (meestal 1050 of 6061), gekozen omwille van de thermische geleidbaarheid (180 ∼200 W/m·K) en de kosteneffectiviteit.
b.Thermische dielektrische laag:Een 50 ‰ 200 μm laag keramisch gevulde epoxy of siliconen met een hoge thermische geleidbaarheid (1 ‰ 5 W/m·K) die het koper elektrisch van het aluminium isolaat terwijl warmte wordt overgedragen.
c.Koperen circuitlaag: koperen sporen van 35 μm die LED's en componenten verbinden, met dikker koper (2 μm) dat wordt gebruikt voor hoogstroompaden in energie-dichte armaturen.

Hoe PCB's met aluminiumoppervlak LED-prestaties verbeteren
LED's zijn zeer temperatuurgevoelig, zelfs kleine verhogingen van de verbindingstemperatuur (Tj) verminderen de prestaties:
a. De helderheid daalt met ~ 2% bij een stijging van °C.
b.Veranderingen in de kleurtemperatuur (bv. koele witte LED's die blauw worden).
c. De levensduur neemt exponentieel af (volgens de Arrhenius-vergelijking halveert een toename van 10 °C Tj de levensduur).
PCB's op basis van aluminium verhelpen dit door een direct thermisch pad te creëren van de LED-chip naar de aluminiumkern, waardoor deze problemen worden verlicht.

1Temperatuur van de onderkant van de verbinding
a. Warmtetransferpad: wanneer een LED werkt, stroomt warmte van de chip door het soldeerblok naar de koperschaal, over de dielektrische en de aluminiumkern, die zich verspreidt en verdwijnt.
b.Real-World Impact: een 10W LED op een aluminium-ondersteunde PCB bereikt een Tj van 65°C, tegen 95°C op standaard FR4 – verlenging van de levensduur van 30.000 tot 60.000 uur.

2Hoger vermogen.
a.PCB's met aluminiumoppervlak maken het mogelijk om meer LED's of chips met een hoger vermogen in dezelfde ruimte te plaatsen.
Een 100 mm × 100 mm aluminium-ondersteunde PCB kan zestien 5W LED's (totaal 80W) aansturen zonder oververhitting.
Hetzelfde FR4-PCB is beperkt tot acht 5W-LED's (40W in totaal) om thermische storingen te voorkomen.

3. Consistente lichtuitgang
Stabiele temperaturen voorkomen schommelingen in helderheid en kleurverschuivingen.Een onderzoek van het ministerie van Energie toonde aan dat LED-armaturen met aluminium-ondersteunde PCB's 90% van hun oorspronkelijke helderheid behouden na 5 jaar.,000 uur, tegenover 70% voor FR4-gebaseerde armaturen.

4Verminderde systeemkosten
Door de hittezuiger in het PCB te integreren, elimineren aluminium-ondersteunde ontwerpen de noodzaak van afzonderlijke hittezuigers, waardoor de materialen- en assemblage kosten met 15-30% worden verlaagd.een 100 W LED-hoogverlichting met een aluminium-ondersteunde PCB kost (5 ̊) 10 minder dan een FR4-ontwerp met een toegevoegde warmteafvoer.

Aluminium-ondersteunde versus FR4-PCB's in LED-toepassingen
De prestatieverschillen tussen aluminium-ondersteunde en FR4-PCB's in LED-systemen zijn groot:

Ontwerpoverwegingen voor LED-PCB's met aluminiumondersteuning
Het optimaliseren van aluminium-gesteunde PCB's voor LED's vereist een evenwicht tussen thermische prestaties, elektrische vereisten en kosten:
1. Selectie van de dielectrische laag
De dielectrische laag is de brug tussen koper en aluminium.
   a. warmtegeleidbaarheid:Kies 3 ‰ 5 W / m · K voor hoogvermogen LED's (bijvoorbeeld keramisch gevulde epoxy zoals Bergquist Thermagon).
   b.Dikte:Dunnere dielectrieken (50 ‰ 100 μm) overbrengen warmte beter, maar verminderen de elektrische isolatie. Gebruik 100 ‰ 200 μm voor hoogspanningstoepassingen (> 50 V) om bochten te voorkomen.
  c.Specifieke spanning:Er moet voor worden gezorgd dat de dielektrische spanning aan de spanning van het LED-systeem voldoet of deze overschrijdt (bijv. 2 kV voor 120 V wisselstroomarmaturen).

2. Koperschaalontwerp
  a.Gewicht:Gebruik 2 ̊3 oz koper voor hoogstroompaden (bijv. LED-arrays die 5A+ tekenen).
   b.Spoorbreedte:De LED-verwarmingsspuren moeten ≥ 0,5 mm breed zijn voor 1 A-stroom om weerstandsverwarming te minimaliseren.
  c. Padgrootte:LED-thermische pads (indien aanwezig) moeten overeenkomen met de grootte van het PCB-pad (typisch 2 5 mm2) om de warmteoverdracht van de LED naar het koper te maximaliseren.

3Specificaties voor aluminiumkernen
  a.Dikte:Dikkere kernen (2,0 ∼3,0 mm) verdrijven de warmte beter voor high-power LED's (50 W +).
  b.Oppervlakte:Een 200 mm × 200 mm kern kan 100 W passief afvoeren, terwijl een 100 mm × 100 mm kern mogelijk een koelbak nodig heeft voor hetzelfde vermogen.
  c. legeringstype:6061 aluminium (180 W/m·K) biedt een betere thermische geleidbaarheid dan 1050 (200 W/m·K), maar is iets duurder.

4. LED-plaatsing en routing
  a.Even Spacing:Ruimte-LED's ≥ 5 mm uit elkaar om overlappende hotspots te voorkomen.
  b.Thermische weg:Voeg via's (0,3 ∼0,5 mm) toe onder grote LED-pakketten om warmte van de koperschaal naar de aluminiumkern over te brengen, waardoor Tj met 5 ∼10 °C wordt verminderd.
  c.Vermijd hittevallen:Routes weg van de LED pads om te voorkomen dat de warmte stroom naar de aluminium kern blokkeert.

Toepassingen: Waar aluminium-gesteunde PCB's schitteren
PCB's met aluminiumondersteuning zijn essentieel in LED-systemen waar prestaties en betrouwbaarheid het belangrijkst zijn:
1Commerciële en industriële verlichting
High-Bay-lampen: 100~300W armaturen in magazijnen en fabrieken zijn afhankelijk van aluminium-ondersteunde PCB's om meerdere 10W+-LED's te verwerken.
Straatverlichting: Buitenarmaturen die aan extreme temperaturen worden blootgesteld, gebruiken aluminiumkernen om de prestaties te behouden bij -40 °C tot 60 °C.

2. Verlichting voor auto's
LED-koplampen: 20 ̊50 W per koplamp, met aluminium-ondersteunde PCB's die de betrouwbaarheid onder de motorkap garanderen (100 °C+ temperaturen).
Interieurverlichting: Zelfs kleine koepellampen maken gebruik van dunne aluminium-ondersteunde PCB's om oververhitting in gesloten ruimtes te voorkomen.

3Speciaal licht
Groeilampen: 200 ‰ 1000 W-systemen met dichte LED-arrays vereisen een maximale warmteafvoer om een consistent lichtspectrum voor de groei van planten te behouden.
Bühnenverlichting: High-output bewegende hoofden (50~200W) gebruiken aluminium-ondersteunde PCB's om snelle aan/uit cycli zonder thermische spanning te verwerken.

4. Consumentenelektronica
LED-strips: High-density strips (120 LEDs/m) gebruiken dunne aluminium-ondersteunde PCB's om oververhitting in enge ruimtes (bijv. onder kasten) te voorkomen.
Tastenlampen: Compacte, hoge lumen (1000+ lm) tastenlampen zijn afhankelijk van aluminiumkernen om 5 ̊10W LED's in kleine behuizingen te koelen.

Testing en validatie van LED-PCB's
Om ervoor te zorgen dat een aluminium-ondersteunde PCB functioneert zoals bedoeld, is een gespecialiseerde test vereist:
1. Thermische weerstand (Rth)
a.Maat de doeltreffendheid van de warmtestromen van de LED-koppeling naar de aluminiumkern. Een lagere Rth (bijv. 1°C/W) is beter.
b.Testmethode: gebruik een thermische camera om onder constant stroomverbruik temperatuurverschillen tussen het LED-pad en de aluminiumkern te meten.

2. Temperatuur van het kruispunt (Tj)
a.Bekeken of Tj lager blijft dan de maximumwaarde van de LED's (typisch 125°C voor commerciële LED's).
b.Testmethode: gebruik een thermocouple bevestigd aan het thermisch pad van de LED's of afleiden van Tj aan de hand van de verschuivingen van de spanning naar voren (per LED-datasheet).

3Levensduur Simulatie
a.Versnelde thermische cyclus (-40 °C tot 85 °C) gedurende meer dan 1000 cycli om te testen op delaminatie tussen lagen, een veel voorkomende storingsmodus bij slecht vervaardigde PCB's.

4. Lichtafvoerstabiliteit
a.onderhoud van het spoorlumen (L70) gedurende 1000 uur werktijd.PCB's met aluminium moet ≥95% van de oorspronkelijke helderheid behouden, tegenover 80~85% voor FR4.

Veel voorkomende mythen en misvattingen
Mythe: Alle PCB's met aluminium op de rug hebben dezelfde prestaties.
Feit: Het dielectrische materiaal en de dikte, het kopergewicht en de kwaliteit van het aluminium maken aanzienlijke verschillen.terwijl een 5 W/m·K versie 10x beter presteert.

Mythe: PCB's op aluminium zijn te duur voor consumentenproducten.
Feit: Bij hoogvermogende LED's worden de kosten gecompenseerd door een verminderde behoefte aan een koelplaat en een langere levensduur.

Mythe: Dikkere aluminiumkernen werken altijd beter.
Feit: Vermindering van de opbrengsten van toepassing ̊van 1 mm tot 2 mm dik aluminium vermindert Tj met 10 °C, maar 2 mm tot 3 mm vermindert het met slechts 3 ̊5 °C.

Vaak gestelde vragen
V: Kunnen PCB's met aluminium-ondersteuning worden gebruikt met RGB-LED's?
A: Ja, ze zijn ideaal voor RGB-LED's, die gevoelig zijn voor kleurverschuiving onder hitte.

V: Zijn er flexibele aluminium-ondersteunde PCB's voor gebogen LED-armaturen?
A: Ja – flexibele versies maken gebruik van dunne (0,2 – 0,5 mm) aluminiumkernen en flexibele dielectrieken (bijv. siliconen) voor gebogen toepassingen zoals LED-strips in koelverlichting.

V: Hoeveel kost een aluminium-gesteunde PCB vergeleken met FR4?
A: 1,5 ̊2x meer voor dezelfde grootte, maar de totale systeemkosten (PCB + koelschutter) zijn vaak lager als gevolg van de geëlimineerde koelschutterkosten in ontwerpen met een hoog vermogen.

V: Wat is het maximale LED-vermogen dat een PCB met aluminium kan verwerken?
A: Tot 500W+ met een grote (300mm × 300mm) aluminium kern en actieve koeling (ventilatoren).

V: Hebben PCB's met aluminium een speciale soldering nodig?
A: Geen standaard SMT-reflowprofielen werken, hoewel een hogere thermische massa iets langere inzuimtijden (30-60 seconden bij 245°C) kan vereisen om goede soldeerslijpen te garanderen.

Conclusies
PCB's met aluminium hebben de LED-technologie veranderd, waardoor de krachtige, duurzame armaturen die moderne verlichting definiëren mogelijk zijn.Ze ontgrendelen helderder uitgangen., meer stabiele prestaties en een langere levensduur, terwijl het ontwerp wordt vereenvoudigd en de systeemkosten worden verlaagd.
Voor ingenieurs en fabrikanten is het begrijpen van de nuances van het aluminium-ondersteunde PCB-ontwerp, van dielektrische selectie tot de grootte van de aluminiumkern, de sleutel tot het maximaliseren van de LED-prestaties.Of het nu gaat om het bouwen van een 10W spotlamp of een 500W industriële armatureDeze speciale PCB's zijn niet langer een optie, maar een noodzaak voor concurrerende, betrouwbare LED-producten.
Als LED's de grenzen van efficiëntie en vermogen blijven verleggen, blijven PCB's met aluminium als hun essentiële partner, zodat het licht dat ze produceren net zo duurzaam is als helder.