LED 디자인을 위한 고성능 PCB: 효율성과 수명 극대화

빛 방출 다이오드 (LED) 는 에너지 효율, 긴 수명,그리고 다재다능성, 하지만 그들의 성능은고성능 LED PCB는 LED 시스템의 독특한 과제를 해결하기 위해 설계되었습니다.그리고 수만 시간 동안 신뢰성을 유지열 관리보다 비용을 우선시하는 표준 PCB와 달리, LED 특수한 PCB는 전문 재료, 레이아웃,LED 기술의 잠재력을 최대한 발휘하기 위해이 가이드는 고성능 LED PCB를 정의하는 설계 원칙, 재료 선택 및 성능 메트릭을 탐구합니다.실제 응용 프로그램과 비교 분석과 함께 엔지니어와 제조업체를 안내합니다..

LED 시스템 이 특수 PCB 를 요구 하는 이유
LED는 전통적인 광소와 다르게 작동하며 PCB에 대한 요구 사항이 다릅니다.
1.열감각: LED는 에너지의 20~30%만을 빛으로 변환하고 나머지는 열으로 전환됩니다. 120°C를 초과하는 접합 온도는 밝기를 감소시키고 수명을 50% 이상 단축합니다.
2전류 균일성: LED는 전류로 구동되는 장치입니다. 다이오드 사이의 작은 전류 변동 (± 5%) 도 가시적인 밝기 차이로 인해 정확한 PCB 추적 디자인이 필요합니다.
3장수성 요구 사항: LED는 5만~100만 시간 동안 사용 가능하지만 PCB 결함 (예: 용매 관절 피로, 구리 산화) 은 종종 병목이됩니다.
4형태 요인 유연성: LED 디자인은 컴팩트 전구에서 넓은 면적의 패널까지 다양하며, 곡선 표면, 좁은 공간 또는 고밀도 배열에 적응하는 PCB가 필요합니다.
고성능 LED PCB는 열 최적화, 전류 조절 및 견고한 재료 선택을 통해 이러한 과제를 해결합니다.

LED PCB의 주요 설계 원칙
효과적인 LED PCB 디자인은 열 관리, 전기 성능 및 기계적 내구성을 균형있게합니다.
1열 관리
열 방출은 LED PCB 설계에서 가장 중요한 요소입니다. 주요 전략은 다음과 같습니다.
a. 구리 두께: 전력 흔적을 위해 2 ̊4 온스 (70 ̊140μm) 구리를 사용하여 LED에서 열을 퍼뜨립니다. 4 온스 구리 층은 1 온스 대비 40%로 열 저항을 감소시킵니다.
b.열성 비아스: 0.3~0.5mm 비아스 (LED당 10~20) 를 배치하여 상층에서 내부 또는 하층의 구리 평면으로 열을 전송하여 PCB를 통해 '열성 파이프'로 작용합니다.
c.큰 구리 비행: 지상 비행과 동력 비행은 두 가지 목적을 갖습니다. 낮은 저항 전류 경로를 제공하며 열 방출로 작용합니다.연속적인 100mm2 구리 평면은 수동적으로 열의 1 ∼ 2W를 분산 할 수 있습니다..

2현재 분포
일률적인 전류는 일관된 LED 밝기를 보장하고 조기 고장을 방지합니다.
a. 트레스 너비 계산: 예상 전류에 대한 크기를 측정하기 위해 IPC-2221 가이드라인을 사용하십시오.
b.스타 토폴로지: 멀티 LED 배열의 경우, 공통 전원으로부터 각 LED에 개별적으로 경로를 추적하여, 전류 불균형을 일으키는 다이지 체인 구성을 피합니다.
c.전류 조절 통합: 저항, 드라이버 또는 IC (예를 들어, 일정한 전류 조절기) 를 PCB에 직접 포함하여 전류를 안정화하십시오. 특히 고전압 전류가 움직이는 시스템에서요.

3레이아웃 최적화
a.LED 간격: 열 축적과 함께 밀도를 균형 잡습니다. 고전력 LED (> 1W) 를 위해 열 교차 (한 LED에서 온도가 인접한 접합 온도를 높이는) 를 방지하기 위해 5~10mm 간격을 유지하십시오.
b.부품 배치: 중요한 영역에 열을 추가하지 않도록 LED에서 드라이버와 저항을 멀리 배치하십시오. 열에 민감한 부품 (예를 들어,전해질 콘덴서) 는 PCB의 반대편에 있습니다..
c.ED와 가장자리 거리는: 열 농도를 방지하고 기계적 안정성을 향상시키기 위해 PCB 가장자리에서 LED를 최소 2mm 정도 떨어져 유지합니다.

고성능 LED PCB용 재료
재료 선택 은 열 성능, 비용, 내구성 에 직접적 인 영향 을 미칩니다. 아래 표 는 일반적인 옵션 을 비교 합니다.

1알루미늄 코어 PCB (MCPCB)
금속 핵 PCB (MCPCB) 는 고전력 LED 시스템의 골드 표준입니다.
a.구조: 얇은 다이렉트릭 계층 (50~100μm) 이 구리 회로 계층을 알루미늄 기판에 결합하여 FR-4보다 3~5배 높은 열전도와 전기 단열을 결합합니다.
b. 열 경로: LED의 열은 구리 흔적 → 변압층 → 열 방출기로 작용하는 알루미늄 코어를 통해 이동합니다.
c. 장점: 비용과 성능을 균형 잡습니다. 최소 열 저항 (일반적으로 1°C/W) 을 가진 5~50W LED를 처리합니다.

2구리 코어 PCB
극심한 열 부하 (> 50W) 에서 구리 코어 PCB는 구리의 우수한 열 전도성을 (200+ W/m·K) 활용합니다.
a. 애플리케이션: 산업용 높은 항구 조명, 경기장 플라드 라이트 및 UV 경화 시스템.
b. 고려 사항: 무거운 무게와 높은 비용 (3x 5 MCPCBs) 은 특수 응용 분야로 사용을 제한합니다.

3유연한 재료
폴리아미드 기반의 유연 PCB는 LED 디자인을 곡선 또는 불규칙한 모양으로 가능하게합니다.
a. 사용상황: 자동차 주력 조명, 착용 가능한 장치 및 곡선 디스플레이.
b. 트레이드오프: MCPCB보다 열전도성이 낮고, 저~중량 전력 (<3W) LED에 사용이 제한된다.

LED PCB 제조 공정
고성능 LED PCB는 열 및 전기 성능을 보장하기 위해 전문 제조가 필요합니다.
1다이렉트릭 레이어 애플리케이션 (MCPCB)
MCPCB의 다이렉트릭 층은 단열과 열 전달을 균형 잡아야 합니다.
a.소재: 높은 열전도 (1 ∼3 W/m·K) 및 분해전압 (> 3kV) 을 가진 세라믹으로 채워진 에포시스 또는 폴리아미드.
b. 프로세스: 롤러 코팅 또는 라미네이션을 통해 적용하고 150~200°C에서 완화하여 접착력과 열 성능을 극대화합니다.

2구리 결합
a.직접 결합 구리 (DBC): 고급 MCPCB의 경우 구리는 높은 온도 (600~800°C) 및 압력을 사용하여 알루미늄에 결합하여 변압층을 제거하고 열 저항을 감소시킵니다.
b.전자 접착: 두꺼운 구리 (2-4 온스) 는 전류 처리 및 열 확산을 향상시키기 위해 흔적에 전자기 접착됩니다.

3열 테스트
a. 열 영상: 적외선 카메라는 PCB 전체의 온도 분포를 지도로 표시하여 열 확산이 좋지 않다는 것을 나타내는 핫스팟을 식별합니다.
b.열 저항 측정: 열 변동 테스트기를 사용하여 θja (환경과의 접합 저항) 가 설계 목표 (일반적으로 고전력 LED의 경우 <5°C/W) 를 충족하는지 확인합니다.

LED PCB의 성능 측정
LED PCB의 성능을 평가하려면 세 가지 주요 메트릭을 추적해야 합니다.
1열 저항 (θja)
정의: LED 연결 장치에서 주변 공기까지 분산되는 전력 와트당 온도 상승 (°C)
목표: 일반적인 부하 하에서 단절 온도를 <100°C로 유지하기 위해 고전력 LED의 경우 <3°C/W.

2현재 통일성
측정: 배열의 LED 사이의 최대 전류 변동 (이 이상적으로 < 3%).
영향: 5% 이상의 변동으로 인해 가시적인 밝기 차이가 발생하여 빛의 품질이 감소합니다.

3. 열순환 하에서의 수명
테스트: 외부 온도 변동을 시뮬레이션하기 위해 -40°C ~ 85°C의 1,000+ 회로.
실패 방식: 디라미네이션, 용접 관절 균열 또는 구리 산화 등은 설계가 부적절하다는 것을 나타냅니다.

응용 분야: 작동 중인 고성능 LED PCB
LED PCB는 그 애플리케이션의 전력, 환경 및 형태 요소에 맞게 조정됩니다.
1외부 조명
요구 사항: -40°C ~ 60°C, 높은 습도, 5만 시간 이상 작동을 견딜 수 있습니다.
솔루션: 2온스 구리, 열 비아스, 자외선 저항성 용접 마스크를 가진 알루미늄 코어 PCB.
예를 들어, MCPCB를 사용하는 가로등은 6만시간의 수명을 달성하며, 표준 PCB에 비해 유지보수 비용을 70% 감소시킵니다.

2자동차 조명
도전 과제: 진동, 모자 아래 온도 (120°C+), 엄격 한 안전 표준.
솔루션: 고Tg MCPCB와 강화 된 용접 결합 및 자동차 수준의 재료 (ISO 16750을 준수합니다).
예를 들어: 구리 접착 알루미늄 PCB를 사용하는 LED 전등은 OEM 요구 사항을 초과하는 10,000 시간 후에 90% 밝기를 유지합니다.

3산업용 조명
요구 사항: 높은 전력 (100~500W), 정확한 열 관리 및 디밍 시스템과의 호환성.
솔루션: 통합 된 열 방출기와 일정한 전류 드라이버가있는 구리 코어 PCB.
예를 들어, 구리 코어 PCB를 사용하는 공장의 고창등은 110°C의 접합 온도 (MCPCB와 150°C 대) 에서 작동하여 LED 수명을 40% 연장합니다.

4소비자 전자제품
디자인 초점: 소형, 저렴한 비용, 미용성
솔루션: 곡선 디스플레이용 유연한 폴리아미드 PCB; 스마트 전구용 높은 Tg FR-4
예를 들어, 1 온스 구리와 함께 높은 Tg FR4를 사용하는 스마트 전구 PCB는 80 °C 주변에서 25,000 시간의 수명을 달성합니다.

비교 분석: 실제 사용 중 인 LED PCB 유형

LED PCB 설계의 미래 트렌드
a.소재와 제조의 발전은 LED PCB 성능을 더욱 향상시키고 있습니다.
그래핀 증강 다이 일렉트릭: 그래핀을 첨가한 층은 MCPCB의 열 전도성을 5 W/m·K까지 증가시켜 열 저항을 50% 감소시킵니다.
b.3D 프린팅: 첨가 제조는 PCB와 통합된 복잡한 히트 싱크를 생성하여 컴팩트 디자인에서 열 분비를 향상시킵니다.
c. 스마트 열 관리: 내장 센서는 PCB 온도를 모니터링하고 전류를 동적으로 조정하여 과열을 방지합니다.
지속가능성: 재활용 가능한 알루미늄 코어와 납 없는 용접 마스크는 EU 에코디자인 및 미국 에너지 스타 표준에 부합합니다.

FAQ
Q: 표준 FR-4 PCB는 고전력 LED에 사용할 수 있습니까?
A: 표준 FR-4는 1W 이상의 LED에 적합하지 않습니다. 낮은 열 전도성이 120 °C를 초과하여 수명을 크게 줄이기 때문입니다.

Q: MCPCB가 처리할 수 있는 최대 전력은 무엇입니까?
A: 알루미늄 코어 PCB는 5 ~ 50W LED를 안정적으로 처리합니다. 더 높은 전력 (> 50W) 에 대해서는 통합 된 히트 싱크가있는 구리 코어 PCB 또는 MCPCB가 필요합니다.

질문: 유연한 LED PCB는 열을 어떻게 처리할까요?
A: 유연한 폴리아미드 PCB는 저전력 LED (<3W) 에 적합합니다. 더 높은 전력을 위해, 그들은 소모를 개선하기 위해 금속 열 방출기에 결합 될 수 있습니다.

Q: LED PCB를 위해 어떤 용접 마스크가 가장 좋은가요?
A: 자외선 저항성 용접 마스크 (예: 아크릴 기반) 는 햇빛으로 인한 퇴화를 방지하여 시간이 지남에 따라 단열 및 미용성을 유지합니다.

Q: 열 저항이 LED의 수명에 얼마나 영향을 미치나요?
답: 매 10°C의 단절 온도 상승으로 LED의 수명이 ~50% 감소합니다. θja = 2°C/W (vs. 5°C/W) 의 PCB는 LED의 수명을 두 배로 줄일 수 있습니다.

결론
고성능 PCB는 LED 기술의 알려지지 않은 영웅이며, LED를 현대 조명에서 필수적인 것으로 만드는 효율성, 수명성 및 다재다능성을 가능하게합니다.MCPCB와 같은 물질을 통해 열 관리를 우선시함으로써, 현재의 유통을 최적화하고 엄격한 제조 표준을 준수합니다.엔지니어들은 가장 까다로운 요구사항을 충족시키는 LED 시스템을 설계할 수 있습니다..
LED가 전통적인 조명을 계속 대체함에 따라 고성능 PCB의 역할은 더 높은 전력, 더 작은 형식 요소 및 낮은 에너지 소비에 대한 필요성으로 인해 증가 할 것입니다.양질의 LED PCB에 투자하는 것은 단순히 비용일 뿐만 아니라 시스템 수명 동안 배당을 지불하는 성능과 신뢰성의 보증입니다..
핵심 요점: LED 시스템의 성능은 PCB만큼만 좋습니다. 고성능 LED PCB는 LED 잠재력과 실제 작동 사이의 격차를 다지고 밝기와 효율성을 보장합니다.그리고 모든 응용 프로그램에서 장수.