LED PCB Design Principles
Unsere IPC-qualifizierten Ingenieure verwenden die neueste CAD-Software, um Leiterplatten zu entwerfen, die für die Herstellung optimiert sind. Der PCB-Designprozess kombiniert Komponentenplatzierung, Verfolgung, Materialauswahl und Wärmemanagement, um eine elektrische Konnektivität auf einer hergestellten Leiterplatte zu erreichen.
Komponentenplatzierung – Wir werfen sie nicht einfach auf
So verlockend es auch sein mag, LEDs und andere Komponenten einfach auf die Platine zu werfen, es ist der Prozess der cleveren Komponentenplatzierung, der die Kosten niedrig, die Herstellung einfach (oder so einfach wie möglich) und die Qualität hoch hält. Wir konstruieren immer optimal: Herstellbarkeit, thermische und optische Leistung – und eine gute Platzierung ist die Grundlage dafür. Die Anordnung der Teile kann sich auf die Zuverlässigkeit, die Montageprozesse, die Integrität der Lötstelle und die Prüfung auswirken. Viele Aspekte des LED-PCB-Designs sind einzigartig für LEDs und der Elektronikindustrie im Allgemeinen unbekannt. LED-Leiterplatten müssen so ausgelegt sein, dass sie die LED-Bewegung beim Reflow-Löten einschränken, und die Flutfüllung muss beispielsweise für die thermische Leistung und die kapazitive Kopplung optimiert werden.
Zusätzlich zu LEDs platzieren wir Steckverbinder, aktive und passive Komponenten, Thermistoren und mehr auf LED-Leiterplatten, während wir Befestigungslöcher, Durchkontaktierungen und Optikplatzierung berücksichtigen. Bei so vielen Überlegungen ist es kein Wunder, dass PCB-Design wie das Lösen eines Puzzles ist.
Wir haben noch nicht einmal die physikalischen Größenbeschränkungen für Leiterplatten sowie Kriech- und Spalttoleranzen erwähnt, die sich auf die Platzierung, die elektrischen Testanforderungen (Zugänglichkeit) und die Montagebeschränkungen auswirken. Ein geeigneter Abstand zwischen den Komponenten ist erforderlich, um ein Überspannungsereignis auf der Platine zu vermeiden. Die Kriechstrecke ist der kürzeste Abstand zwischen Bauteilen, der entlang der Oberfläche des Isolationsmaterials gemessen wird – der Abstand hingegen ist der Abstand zwischen Bauteilen, der durch Luft gemessen wird. Je mehr Komponenten zu platzieren sind, desto schwieriger kann es sein, Kriech- und Luft zu erreichen. Unser Team berücksichtigt das Material der Leiterplatte, die Isolierung und die Verschmutzung, die auftreten können, wenn sich die Leiterplatte in der Anwendung befindet.
Abb.1 – Kriech- und Spaltmessung
Leiterplattenmaterialien
Die Leiterplatte dient einer Reihe von Zwecken in LED-basierten Schaltungsdesigns; insbesondere stellt es die elektrischen Verbindungen zwischen einzelnen Komponenten und die elektrische Isolierung von Leitern voneinander bereit, aber oft bildet die Leiterplatte auch eines der allerersten Elemente des thermischen Pfades zwischen der LED-Komponente und der Umgebungsluft, während die Leiterplatte auch ein Fundament bilden kann, auf dem auch nicht-elektronische Komponenten montiert sind, dh Linsen und Reflektoren.
Es gibt verschiedene PCB-Materialien, die für LED-Anwendungen verwendet werden können: Sowohl FR4 als auch isoliertes Metallsubstrat (IMS) sind beliebte Optionen. Jedes Material hat seine eigenen relativen Vorzüge, die von den Kosten bis zur thermischen Leistung reichen.
IMS als Leiterplattenmaterial besteht aus drei Hauptelementen: einer Metallbasisschicht, einem dielektrischen Film und einer Kupferdeckschicht. Die Metallbasisschicht bildet den Großteil der Leiterplattendicke und gibt mechanische Struktur und thermische Masse, typischerweise wird das verwendete Metall Aluminium sein, da es eine gute thermische Leistung im Vergleich zu den Kosten bietet. Nicht alle IMS-Leiterplatten sind gleich, Hochleistungs-IMS-Materialien haben Dielektrika mit höherer Wärmeleitfähigkeit, was letztendlich zu einem Produkt mit deutlich längerer Lebensdauer führen kann.
Zusammenfassend sind IMS-Leiterplatten von Natur aus sehr gut in der Wärmeableitung, da sie fast ausschließlich aus Metall bestehen; Sie sind jedoch typischerweise teurer als FR4-Material
FR4 ist das, woran die meisten Leute denken, wenn Sie ‚PCB-Material‘ sagen. Es ist weit verbreitet in allen Arten von Elektronik verwendet und so ist es ein sehr vertrautes Material für Designer von Schaltungen. FR4-Material besteht aus verstärktem Harz, auf das eine Kupferfolie aufgebracht wurde. Da das Harzmaterial ein Isolator ist, ist es möglich, ein Laminat aus vielen Schaltungsschichten zu erzeugen, die übereinander angeordnet sind und je nach Bedarf miteinander verbunden sind. Angesichts der thermischen Leistung von IMS ist FR4 sicherlich minderwertig? Nicht unbedingt. Mit cleverem PCB-Design ist es möglich, eine gute Wärmeleitfähigkeit durch FR4-Materialien zu erreichen, wodurch im Wesentlichen Wärmepfade durch das Harz erzeugt werden, die die elektrische Funktionalität der Leiterplatte nicht beeinträchtigen.
Abb.2-PCB zusammensetzung von FR4 und IMS
Thermische Management
Materialien sind ausgewählt zu bieten strukturelle festigkeit zu unterstützung die elektronische komponenten und zu zerstreuen die wärme von den leitern und die komponenten. Übermäßige Hitze ist der Feind der Leiterplatte und muss für Zuverlässigkeit und ordnungsgemäße Funktion verwaltet werden. Unsere Designer versuchen, die Wärmeableitung durch die Verwendung von thermischen Durchkontaktierungen, die intelligente Platzierung von Komponenten und die Wahl des Leiterplattenmaterials zu maximieren.
Abb.3 – Querschnitt der Wärmeleitpaste im FR4-Substrat
Der Wärmeaustausch ist nicht effizient, wenn nur die Umgebungsluft um ein heißes Gerät herum ist. Mit thermischen Durchkontaktierungen kann jedoch Wärme von den kritischen elektrischen Komponenten abgeführt werden. Wärme wird durch Wärmeleitung auf ein thermisches Via übertragen, wodurch sich Wärme von den Komponenten entfernen kann.
Das Hinzufügen von Durchkontaktierungen verbessert den Wärmewiderstand einer FR4-Platine, sofern sie entsprechend platziert sind und die Plattendicke zur Bestimmung des Lochdurchmessers berücksichtigt wurde. Dickere Platten mit sehr kleinen Löchern sind schwieriger herzustellen – und teurer. Ein akzeptables Seitenverhältnis ist ≤6:1. Die Erhöhung der Beschichtungsdicke während der Leiterplattenproduktion verbessert die thermische Beständigkeit.
Komponentenplatzierung für gleichmäßige Wärmeverteilung, Kühlkörper und die Anwendung der endgültigen LED-Leiterplatte sind alles Überlegungen während des gesamten PCB-Designs, um ein effektives Wärmemanagement und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
Tracking
Sobald die Komponenten platziert sind, kann das Tracking beginnen. Die Aufgabe des Trackings besteht darin, Geometrien so zu erstellen, dass alle Terminals, die demselben Netz zugeordnet sind, effizient verbunden sind, keine Terminals, die verschiedenen Netzen zugeordnet sind, verbunden sind und alle Entwurfsregeln eingehalten werden. Durch sorgfältige Nachverfolgung versuchen wir, Öffnungen, Übersprechen und Kurzschlüsse zu vermeiden und gleichzeitig eine gute Fertigungsqualität und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. In diesem Stadium denken unsere Designer Spurbreite, Symmetrie, Raum und Befestigungslöcher.
Eine ausreichende Spurweite sorgt dafür, dass die gewünschte Strommenge ohne Überhitzung durch die Platine transportiert wird. Die geschätzte Strom- und Kupferdicke bestimmt zusammen mit Umgebungstemperatur, Gleislänge und Gleisabstand die optimale Gleisbreite.
Es werden nicht alle Spuren mit gleicher Breite erstellt. Strom- und Bodengleise werden viel mehr Strom durch sie fließen lassen, was bedeutet, dass diese viel breiter als die durchschnittlichen Gleise sind und keine überschüssige Wärme durch dünnere Gleise fließt und die Platine beschädigt.
Wie bereits erwähnt – unsere Leiterplatten sind für die Fertigung optimiert. Aus diesem Grund lassen unsere Designer genügend Platz zwischen allen Spuren und Pads und Radiusecken. Bei Verwendung von 90-Grad-Winkeln mit Spuren besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass die geätzte Spur schmaler als die erforderliche Spurbreite ist. Der Einbau einer abgeschrägten oder einer Radiusecke vermeidet diese Möglichkeit.
Eine mehrschichtige Leiterplatte ist eine Leiterplatte mit mehr als 2 Schichten. Sie ist ideal, wenn der Platz knapp ist – anstatt die physikalischen Abmessungen zu erhöhen, können abwechselnde Kupferschichten mit Isoliermaterial dazwischen hinzugefügt werden, um Platz zu sparen, die Montage zu verbessern und die für die Verfolgung verfügbare Fläche zu vergrößern.
Oberflächen
Schutzbeschichtungen / Oberflächenveredelungen auf der Leiterplatte haben zwei wesentliche Funktionen: Sie schützen das freiliegende Kupfer und bieten eine lötbare Oberfläche für die Montage. Nach dem Ende gibt es auch Legende, die erforderliche Markierungen zulässt, die mit Herstellung und Feldinstallation unterstützen können. Dies ermöglicht es uns auch, Ihr Logo in die PCBA für große Markenbekanntheit zu integrieren. Die am häufigsten verwendeten Oberflächen sind:
HASL (Hot Air Solder Levelling), OSP (Organic Solderability Preservative), Immersionszinn, elektrolytisches Nickel/galvanisiertes Gold, Immersion/Silber, ENIG, ENEPIG. Jedes Oberflächenende hat Vor- und Nachteile und unsere Designer spezifizieren das passendste Ende vor Herstellung. In den meisten Fällen wird OSP verwendet, da es eine flache Oberfläche ergibt, die für feinteilige Komponenten erforderlich ist, und der Anwendungsprozess einfach ist.
Intelligentes PCB-Design ist von grundlegender Bedeutung für die Herstellung Ihrer idealen LED-Lösung. Mit cleverem Design sind wir in der Lage, doppelseitige FR4-Leiterplatten und Multilayer-Leiterplatten für optimale Leistung bei beengten Platzverhältnissen zu integrieren. Im Mittelpunkt all unserer PCB-Designs stehen Ihre Anforderungen und Ihre Anwendung. Für weitere Informationen zu unserem Know-how oder um Ihre eigene LED-Lösung zu erhalten, die von uns entworfen und hergestellt wurde, kontaktieren Sie uns noch heute.
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