高性能 PCB の LED 設計: 効率 と 長寿 を 最大化 する

LEDは エネルギー効率,長寿,しかし,その性能は,それらを動かす印刷回路板 (PCB) に依存します.高性能LEDPCBは,LEDシステムのユニークな課題に対処するために設計されています. 熱を管理し,均等な電流分布を確保し,数万時間の信頼性を保ちます熱管理よりもコストを優先する標準PCBとは異なり,LED専用PCBは,特殊な材料,レイアウト,LED技術の潜在能力を最大限に発揮するためにこのガイドでは,高性能LEDPCBを定義する設計原則,材料の選択,および性能指標を調査します.エンジニアやメーカーを導くための実用的なアプリケーションと比較分析.

なぜ LED システム は 専門 的 な PCB を 要求 する の です か
LEDは従来の光源とは異なり,PCBには異なる要求があります.
1熱感度:LEDはエネルギーの20~30%を光に変換し,残りは熱に変換する. 120°Cを超える交差点温度は明るさを低下させ,寿命を50%以上短縮する.
2電流均一性:LEDは電流駆動装置である.ダイオード間の小さな電流変動 (± 5%) も,可視的な明るさ差を引き起こすため,正確なPCB痕跡設計が必要です.
3耐久性要件:LEDは5万~10万時間まで使用できるが,PCBの故障 (溶接器の関節の疲労,銅酸化など) はしばしばボトルネックとなる.
4形状要素の柔軟性:LED設計は,コンパクトの電球から広範囲のパネルまであり,曲げた表面,狭い空間,または高密度の配列に適応するPCBが必要です.
高性能LEDPCBは 熱最適化,電流調節,堅牢な材料選択によって これらの課題に対処します

LED PCB の 設計 の 基本 原則
効果的なLEDPCB設計は,熱管理,電気性能,機械的な耐久性をバランスします.
1熱管理
熱散は,LED PCB 設計において最も重要な要素である.主要な戦略には以下のものがある:
a.銅厚さ:電源痕跡として2 ワット4オンス (70 ワット140μm) の銅を使用して,LEDから熱を散布する. 4 オンス銅層は, 1 オンスと比較して 40% の熱抵抗を減少させる.
b.熱線:0.3~0.5mmの線 (10~20LED) を設置し,上層から内部または下層の銅面に熱を転送し,PCBを通る"熱管"として作用する.
c.大型銅型平面:地面平面と動力平面は,低阻抗の電流経路を提供し,熱吸収器として機能する2つの目的があります.連続100mm2の銅平面は,熱を1W2Wを消散することができます.

2現在の分布
均質な電流はLEDの明るさを安定させ,早速故障を防ぐ:
a.Trace Width Calculation: IPC-2221ガイドラインを使用して,予想される電流のサイズを計算します (例えば,1オンス銅の2Aに200ミリ幅).過度に狭い痕跡は電圧低下と局所的な加熱を引き起こす.
b.スタートポロジー:マルチLED配列の場合,共通の電源からそれぞれのLEDに個々の路線を追跡し,電流の不均衡を生むダイジーチェーン構成を避ける.
c.電流制御の統合:電流を安定させるために,特に高電圧交流駆動システムでは,電流を安定させるために,電流電池に直接レジスタ,ドライバ,またはIC (例えば常流電流調節器) を組み込む.

3レイアウト最適化
a.LED スペース:熱の蓄積とバランス密度.高功率LED (>1W) の場合,熱交差を防ぐために5~10mmの距離を維持する (1つのLEDからの熱が隣接した交差点温度を上昇させる).
b.コンポーネントの配置:LEDから遠ざけるようにドライバとレジスターを配置し,重要な領域に熱を加えることを避ける.熱に敏感なコンポーネント (例えば,電解電容器 (electrolytic capacitors) がPCBの反対側にある.
c.EDEDとエッジの距離:熱濃度を防止し,機械的安定性を向上させるために,LEDをPCBのエッジから少なくとも2mm離れた場所に保持する.

高性能LEDPCB用の材料
材料 の 選択 は,熱性能,コスト,耐久性 に 直接 影響 し て い ます.下 の 表 は,一般的な 選択肢 を 比較 し て い ます.

1アルミコアPCB (MCPCB)
メタルコアPCB (MCPCB) は高電力LEDシステムの標準です.
a.構造:薄い電解層 (50μm) が銅回路層をアルミニウム基板に結合し,FR-4より3×5倍の熱伝導性を有する電気隔熱を組み合わせます.
b.熱経路:LEDからの熱は銅の痕跡 →介電層 →熱吸収器として作用するアルミコアを通過する.
c.利点:コストとパフォーマンスをバランスして,最小熱抵抗 (通常1°C/W3°C) を有する550WのLEDを処理する.

2銅コアPCB
極度の熱負荷 (>50W) に対して,銅コアPCBは銅の優れた熱伝導性 (200+ W/m·K) を利用する.
a.応用:工業用高層照明,スタジアムのフロードライト,UV固化システム.
考慮事項:重量と高コスト (3×5×MCPCB) は,特殊用途での使用を制限する.

3柔軟な材料
ポリマイドベースの柔軟PCBは,曲線形または不規則な形状のLED設計を可能にします.
a.使用事例:自動車用アクセント照明,ウェアラブルデバイス,カーブディスプレイ.
b.トレードオフ:MCPCBよりも熱伝導性が低く,低~中功率LED (<3W) に使用を制限する.

LED PCBの製造プロセス
高性能LEDPCBは,熱性能と電気性能を保証するために専門的な製造を必要とする.
1介電層適用 (MCPCB)
MCPCBの介電層は,隔熱と熱伝達をバランスしなければならない.
a.材料:高熱伝導性 (1°3W/m·K) と断裂電圧 (>3kV) を有する陶磁で満たされたエポキシスまたはポリミード.
b. プロセス: ローラーコーティングまたはラミネーションによって適用され,その後 150~200°C で固化され,粘着性と熱性能を最大化します.

2銅結合
a.直接結合銅 (DBC):高級MCPCBでは,銅は高温 (600~800°C) と圧力を使用してアルミニウムに結合し,電解層を排除し熱抵抗を軽減します.
b.電圧塗装: 厚い銅 (2-4オンス) は,電流処理と熱の拡散を向上させるために,痕跡に電圧塗装されます.

3熱テスト
a. 熱画像: 赤外線カメラは PCB の温度分布を図示し,熱の拡散が不良であることを示すホットスポットを特定します.
b.熱抵抗の測定:熱過敏テストを使用して,設計目標 (通常は高功率LEDでは<5°C/W) をθja (コン junction-to-ambient resistance) が満たしていることを確認する.

LED PCB の性能指標
LEDPCBの性能を評価するには 3つのキーメトリックを追跡する必要があります.
1熱抵抗 (θja)
定義:LED接続から環境空気への消耗する電力のワットあたり温度上昇 (°C)
目標:3°C/W 高功率LEDでは,典型的な負荷下では交差点温度が<100°Cを維持する.

2現在の均一性
測定:配列内のLED間の最大電流変動 (理想的には<3%)
影響:> 5% の変動により,可視的な明るさ差が起こり,光の質が低下します.

3熱循環下で寿命
試験: 室外温度変動をシミュレートするために -40°Cから85°Cの1000回以上.
失敗モード: 層外化,溶接器の結合の裂け目,または銅の酸化は,設計が不十分であることを示します.

応用: 高性能LEDPCBが動作する
LED PCB は,そのアプリケーションの電力,環境,形状要素に合わせて設計されています.
1屋外照明
要求事項: -40°C~60°C,高湿度,5万時間以上稼働する.
解決策: 2オンス銅,熱ビアス,UV耐性溶接マスクの アルミコアPCB
例:MCPCBを使用した路灯は6万時間の寿命を達成し,標準PCBと比較して 70%の保守コストを削減します.

2自動車照明
課題: 振動,機体内温 (120°C+),厳格な安全基準.
解決法:高Tg MCPCB 強化溶接接と自動車用材料 (ISO 16750 に準拠)
例:銅塗装アルミPCBを使用したLEDヘッドライトは1万時間後に90%の明るさを維持し,OEM要件を上回る.

3産業用照明
需要:高出力 (100~500W),精度の高い熱管理,ディミングシステムとの互換性
解決策: 組み込み熱吸収器と恒流ドライバを備えた銅コアPCB
例:銅コアPCBを使用した工場の高台灯は,110°Cの交差温度で動作し (MCPCBでは150°C),LEDの寿命を40%延長する.

4消費者電子機器
デザイン 焦点: コンパクトなサイズ,低コスト,美学
解決策: 曲がったディスプレイ用の柔軟なポリアミドPCB; スマートランプ用の高Tg FR-4
例:高Tg FR4 を使ったスマート電球PCBは,銅1オンスで,環境80°Cで2万5千時間の寿命を達成する.

比較分析:実用的な使用におけるLED PCBタイプ

LED PCB 設計における将来の傾向
a.材料と製造の進歩は,LED PCBの性能をさらに推し進めています.
グラフェン強化電解:グラフェン浸透層はMCPCBの熱伝導性を5W/m·Kに高め,熱抵抗を50%減らす.
b.3Dプリンティング:添加製造はPCBと統合された複雑な熱シンクを作り出し,コンパクトな設計で熱散を向上させます.
c. スマート熱管理:組み込みセンサーがPCB温度を監視し,電流を動的に調整し,過熱を防ぐ.
d.持続可能性:リサイクル可能なアルミニウムコアと鉛のない溶接マスクは,EUエコデザインと米国のエネルギースター基準に準拠しています.

よくある質問
Q: 標準FR-4PCBは高電力LEDに使用できますか?
A:標準FR-4は1W以上のLEDには適していません.低熱伝導性が結界温度を120°Cを超え,寿命を大幅に短縮します.

Q: MCPCB が処理できる 最大の電力は?
A: アルミコアPCBは550WのLEDを信頼的に処理します.より高い電力 (>50W) については,組み込み熱シンクを持つ銅コアPCBまたはMCPCBが必要です.

Q:柔軟なLEDPCBは 熱をどのように処理するのですか?
A: 柔軟なポリアミドPCBは低電力LED (<3W) に適しています.より高い電力では,散布を改善するために金属熱シンクに結合できます.

Q: 屋外用LEDPCBにはどの溶接マスクが最適ですか?
A:UV耐性溶接マスク (例えばアクリル製) は,日光による劣化を防止し,隔熱と美容性を維持します.

Q:熱抵抗が LEDの寿命に どの程度影響するのでしょうか?
A: 接続温度が10°C上昇するごとにLEDの寿命が約50%短縮されます. θja = 2°C/W (vs. 5°C/W) のPCBはLEDの寿命を倍にすることができます.

結論
高性能PCBはLED技術の未知のヒーローで LEDを現代照明に不可欠なものとする 効率性,耐久性,そして汎用性を可能にします熱管理を優先して MCPCB のような材料を使って生産基準を厳格に守っていますエンジニアは最も厳しい要求を満たすLEDシステムを設計できます.
LEDが従来の照明を 置き換えるようになると 高性能PCBの役割は 増えるばかりで 電力量や 形状が小さく エネルギー消費が低くなり高品質のLEDPCBへの投資は 単なるコストではなく システムの寿命にわたって利益をもたらす性能と信頼性の保証です.
LED システムの性能は,PCB の性能と同じくらいよい.高性能のLED PCB は,LED の潜在力と実用的な動作との間のギャップを埋め,明るさ,効率,あらゆる用途で長生きします.