高亮度LED用印制電路板標準介紹

蘇新虹 任 敏

（珠海方正印刷電路板發(fā)展有限公司，廣東 珠海 519175）

高亮度LED用印制電路板標準介紹

蘇新虹 任 敏

（珠海方正印刷電路板發(fā)展有限公司，廣東 珠海 519175）

高亮度LED用標準編制工作始于2010年10月，歷時三年多，于2014年3月發(fā)布。文章對標準編制歷程、標準的創(chuàng)新點、標準編制過程中所解決的問題以及標準的應用做了論述和說明。

標準；高亮度LED；電路板；創(chuàng)新點；水平導熱參數(shù)；垂直導熱參數(shù)

1 標準編制的必要性

LED照明是針對現(xiàn)今“削減CO2排放量”為代表的世界環(huán)境問題而采取的措施。照明領域的電力消耗量比較大，而LED照明因為比白熾燈、熒光燈等一般照明燈具的耗電少、壽命長而受到青睞，正在快速替代公共設施、辦公室、住宅、汽車等原有照明。因此，作為支撐LED元件的印制電路板，今后將向適用于更高亮度LED元件和大功率化方向發(fā)展，這就有必要制定高亮度LED用印制電路板標準。

2 標準編制歷程

2010年10月，CPCA和JPCA在中國深圳會談，決定開始合作編撰LED聯(lián)合標準，標準計劃項目下達后，由珠海方正印刷電路板發(fā)展有限公司（以下簡稱方正PCB）牽頭組建標準修訂工作組，工作組由方正PCB擔任組長單位，廣東生益科技股份有限公司（以下簡稱生益科技）、汕頭超聲印制板股份有限公司（以下簡稱汕頭超聲）擔任副組長單位，聯(lián)合廣東正業(yè)科技股份有限公司（以下簡稱正業(yè)科技）等其他23家企業(yè)共同進行標準的修訂。聯(lián)合標準以JPCA-TMC-LED01S-2010《高亮度LED用印制電路板規(guī)范》、JPCA-TMC-LED02T-2010《高亮度LED用印制板試驗方法》為基礎，由CPCA標準化工作組收集、分析與研究國內外相關技術資料、研究修改標準、驗證試驗方法及試驗結果，制定中日聯(lián)合標準，分別是：《高亮度LED用印制電路板》、《高亮度LED用印制電路板試驗方法》。

2010年12月，首次中日兩國聯(lián)合標準會議在中國杭州舉行，JPCA的專家在會上詳細介紹了日方標準對導熱性測試試驗的設計原理。2011年6月，第十屆東北亞林準合作論壇第七工作組。NEAS（F WG7）會議在韓國釜山召開，CPCA、JPCA與KPCA就LED標準合作達成一致意見，決定編撰CJK聯(lián)合標準。此后舉行的多次CJK工作組會議上討論了此標準制定中的問題。

2012年4月，《高亮度LED用印制電路板》、《高亮度LED用印制電路板試驗方法》在CPCA范圍內進行了第一次意見征集。2012年4月至11月，正業(yè)科技對日方提供的樣品進行了試驗驗證，同時正業(yè)科技使用國內芯片做熱源，測試了由方正PCB、生益科技、景旺電子（深圳）有限公司（以下簡稱景旺電子）提供的樣板。2012年7月，在CPCA范圍內進行了第二次意見征集。

2013年11月20日，中日雙方在中國東莞召開導熱參數(shù)測試方法討論會。會后對標準進行修訂完善，編寫征求意見三稿。2014年1月，在CPCA范圍內進行了第三次意見征集。

2014年2月，根據第三次征集的意見對標準再次進行修訂，形成標準送審稿，并在CPCA網站上公示。對收到的意見進行了處理，形成最終送審稿。2014年3月3日完成表決，獲得通過，經修改后形成報批稿，2014年3月中旬先以CPCA行業(yè)標準形式發(fā)布。

3 標準的創(chuàng)新點

高亮度LED用印制電路板標準分為《CPCA 6041-2014 高亮度LED用印制電路板》和《CPCA 5041-2014 高亮度LED用印制電路板試驗方法》兩個標準，下面分別介紹這兩個標準的創(chuàng)新點。

3.1 CPCA 6041-2014《高亮度LED用印制電路板》主要創(chuàng)新點介紹

本標準以JPCA-TMC-LED01S-2010《高亮度LED用印制電路板規(guī)范》為基礎，規(guī)定了主要應用于LED照明設備的高亮度LED用印制電路板設計、質量、性能、試驗方法和標識、包裝、保管的相關要求。

本標準的主要創(chuàng)新點有如下兩點：

（1）提出了垂直導熱參數(shù)和水平導熱參數(shù)的概念；

（2）按照導熱性和絕緣性的不同，給出了印制板的分類和等級。

下面詳述：

（1）垂直導熱參數(shù)和水平導熱參數(shù)定義

垂直導熱參數(shù) thermal conductivity parameter

在規(guī)定測試條件下，芯片面積熱流量與試樣厚度方向溫度梯度之比。單位為瓦每米開[W/ (m?K)]

水平導熱參數(shù) heat transfer parameter

在規(guī)定測試條件下，試樣平均面積熱流量與環(huán)境溫度差之比。單位為瓦每平方米開[W/ (m2?K)]

（2）印制板的分類和等級

對于高亮度LED用印制板，必須對具備散熱特性的基板進行大致分類，并且設定與產品用途相關的分類等級。在本標準中，沒有選擇按照基板類型進行分類，而是按最新所提到的垂直方向和水平方向的散熱參數(shù)對基板散熱性進行等級劃分，并按照與散熱性相反的絕緣性要求的不同進行電氣分類。

具體來說，對于印制板的分類和等級，按照導熱性區(qū)分為A、B、C三大類；按照絕緣性區(qū)分，將每大類分為三個等級，見表1。有關各種等級基材的區(qū)分、印制板用途分類及不同用途者，見圖1所示。

3.2 CPCA 5041-2014《高亮度LED用印制電路板試驗方法》主要創(chuàng)新點介紹

表1 印制板分類和等級

圖1 印制板板材和不同用途分類舉例

本標準以JPCA-TMC-LED02T-2010《高亮度LED用印制板試驗方法》為基礎，對用于高亮度LED用印制電路板的試驗方法做出了規(guī)定。

本標準的創(chuàng)新點為：建立了垂直導熱參數(shù)和水平導熱參數(shù)的測量方法。

3.2.1 試驗結果驗證階段

正業(yè)科技首先使用日方設備對日方提供的測試樣品進行了試驗驗證：

垂直導熱參數(shù)，正業(yè)科技測試結果平均值為4.32 w/（m·K），日本測試結果為3.94 w/（m·K），差異為9.64%[0.38 w/（m·K）]；

水平導熱參數(shù)，正業(yè)科技測試結果平均值為18.7 w/（m·K）5，日本測試結果為15.75 w/（m·K），差異為19.05%[3.00 w/（m·K）]；

JPCA認為，只有差異＜15%時，結果才可接受。因此，綜合垂直導熱參數(shù)和水平導熱參數(shù)結果，還需對測試方法做進一步探討。

同時，正業(yè)科技還使用國內熱源芯片對方正PCB、生益科技、景旺電子等公司提供的新的樣板進行了測試，數(shù)據顯示，雖然測試結果重復性誤差較好，但需要等待較長時間，測試數(shù)據才能基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.2 正業(yè)科技對試驗方法所做的改進

正業(yè)科技通過反復試驗，詳細分析了對測試結果可能存在影響的因素，有：環(huán)境溫度、濕度，基板和熱源芯片的類型，導熱介質（導熱膠）的類型，設備功率模塊的穩(wěn)定性、熱電偶精度、電阻測量精度，不同操作者對金屬線的選材及焊接、導熱膠的涂覆，均可能對測試結果造成一定的影響。針對以上問題，正業(yè)科技在日方設備的基礎上進行了整合、改進，制造了導熱參數(shù)測試儀——熱阻儀。針對影響測試結果的因素分析，規(guī)定了熱源芯片的型號，選擇導熱性好的導熱膠，并給出了導熱膠的型號和厚度要求，使熱源芯片與評估基板全接觸，評估基板與試驗平臺間全接觸；焊線連接或者打線鍵合時使用鍍銀線，焊接后用萬用表測試電性能，等等，以最大限度減少這些因素對測量結果的影響。

3.2.3 最終形成的測試方法

標準修訂工作組在參考正業(yè)科技所做試驗的基礎上，通過反復比較研究，最終確定了如下方法作為本標準推薦的垂直導熱參數(shù)和水平導熱參數(shù)測試方法：

（1）水平方向的導熱參數(shù)的測試方法

①裝置

測試水平方向的導熱參數(shù)時，試驗平臺邊長約30 cm，環(huán)境溫度變化控制在±0.2 ℃以內，中央放置試樣和溫度傳感器，熱源應在箱體內中央位置，熱電偶測量箱內空氣溫度的位置在試樣下面25 mm處。如圖2所示。

圖2 試驗裝置

②試樣的選擇

試樣使用中央帶有5 mm×5 mm的熱源芯片（標準熱源），兼作熱源和測溫。熱源芯片與試樣間涂覆導熱膠，一般來講，導熱膠的熱傳導率要大于1 W/（m?K），厚度要小于5 mm，如Ag paste。熱源芯片和測試樣品以焊線連接或者打線鍵合。試樣四個角的焊盤焊接導線。

③試驗

把帶有熱源芯片的試樣用絕熱材料的支撐架水平固定在試驗箱中。熱源芯片的發(fā)熱量為Φ，與水方向的熱阻Rp大小是對應的，水平方向負荷發(fā)熱量與熱阻之間的關系如表2所示。當熱源芯片溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)后，測得的熱源溫度為Ts，熱電偶測得的測試箱內的溫度為Ta。水平方向的熱阻Rp按下式計算：

表2 水平方向與垂直方向負荷發(fā)熱量與熱阻之間關系

式中：Rp——水平方向的熱阻，單位為開每瓦(K/W)；

Ts——熱源芯片溫度；

Ta——熱電偶測得的測試箱內的溫度；

Φ——熱源芯片的發(fā)熱量。

用Rp計算水平導熱參數(shù)he，計算式如下：

式中：he——水平導熱參數(shù)，單位是瓦每平方米開（W/ (m2?K)）

0.0025——試樣的面積，單位為平方米（m2）。

（2）垂直方向的導熱參數(shù)的測試方法

①裝置

測試垂直方向的導熱參數(shù)，裝置使用含100 mm×100 mm×85 mm的金屬臺座的水冷裝置，水溫變化控制在±0.2 ℃以內，檢測平臺上的金屬臺座可以用螺絲固定試樣。垂直方向試驗平臺如圖3所示。

②試樣的選擇

測定垂直方向導熱參數(shù)使用的試樣，與測定水平方向導熱蠶食時使用的試樣相同，試樣與金屬臺座之間應涂硅脂類導熱材料。

③試驗

圖3 垂直方向熱阻試驗裝置

試樣上安裝熱源芯片，以測量溫度變化。試樣用螺絲固定在金屬臺座上。金屬臺座與試樣之間涂有硅脂類導熱材料，以降低接觸熱阻。在金屬臺座離試樣一端10 mm以內位置安裝熱電偶。在冷卻水槽內也安裝熱電偶，以測量水溫。如圖5所示，金屬臺座放置于水槽中，有流水冷卻，保持水溫一定。熱源芯片的發(fā)熱量Φ，與垂直方向的熱阻Rt大小是對應的，垂直方向負荷發(fā)熱量與熱阻之間的關系見表2所示。當熱源芯片的溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)后，確定金屬臺座上溫度與冷卻水的溫度相差2 ℃以下，測得的熱源芯片的溫度Ts和金屬臺座的溫度Tb。垂直方向的熱阻Rt按下式計算：

式中：Rt——垂直方向的熱阻；單位為開每瓦（K/W）；

Ts——熱源芯片的溫度；

Tb——金屬臺座的溫度；

Φ——熱源芯片的發(fā)熱量。

用Rt計算出垂直導熱參數(shù)ke，計算式如下：

式中：ke——垂直導熱參數(shù)，單位是瓦每米開[W/ （m?K）]；

t——試樣厚度，單位為米（m）；

Rt——垂直方向的熱阻；單位為開每瓦（k/W）；

2.5×10-5——熱源芯片的測溫實際面積，單位為平方米（m2）。

（3）對于測試方法的進一步說明

測試時，除應遵循以上方法外，還應注意：

①測試應在恒溫恒濕條件下進行；

②水平方向和垂直方向導熱參數(shù)測試，測試前等待時間為30 min ~ 60 min；

③溫度傳感器測試前需要校準；

④測試時，應在達到穩(wěn)定狀態(tài)后讀取測量儀器的數(shù)據；

⑤測試裝置測量的導熱參數(shù)的重復精度p應確保在5%以內，計算公式如下：

式中：max（x1，x2，...，xn）——測量樣本中的最大值（n≥5）；

min（x1，x2，...，xn）——測量樣本中的最小值（n≥5）；

Ex——表示測量樣本的均值。

4 結論

（1）高亮度LED用印制電路板兩項標準給出了印制板的分類和等級和各種等級基材的區(qū)分、印制板用途分類。在實際應用中，不僅對于熟悉高亮度LED用印制板的使用者還是初始使用高亮度LED的人員，都能很容易理解與產品用途相關的分類，兩項標準對于高亮度LED用印制電路板的設計和選材，具有一定的指導意義。同時，對有熱管理要求的印制板也有參考性。

（2）兩項標準的發(fā)布，規(guī)范了導熱參數(shù)的測試方法，并更細致的對測試時使用的諸如用于粘結的導熱材料、熱阻材料等材料的選擇做出了推薦。盡可能使用標準中推薦的材料，可以使導熱參數(shù)測試結果更準確。

（3）基板散熱性評估是高亮度LED用印制電路板的一個重要方面，為此國產的熱阻儀能夠方便、快捷地對基板散熱性進行測量，為用戶提供了一種高亮度LED用散熱基板導熱能力的較佳的評估方案，可以幫助用戶定量的評估材料導熱性能的優(yōu)劣，以方便選擇合適的基材。

致謝：兩項標準從立項到發(fā)布，歷時三年多，并于2014年3月12日正式發(fā)布。在此對在本標準編制過程中做出過貢獻的所有人員表示衷心的感謝，感謝CPCA標準化委員會的指導；感謝JPCA和KPCA對本標準的編制給予的支持和幫助；感謝正業(yè)科技為本標準所做的大量試驗驗證工作；感謝全體組員單位的大力支持。

Introduction to Electronic Circuit Board for high-brightness LEDs standard

SU Xin-hong REN Min

Electronic Circuit Board for High-Brightness LEDs Standard began in October 2010, which lasted more than three years, released in March 2014. In this paper, we introduced the process of drawing up the standard, innovation of the standard, what solving problems in the process and standard applications.

Standard; High-Brightness LEDs; Printed Circuit Board; Innovation; Heat Transfer Parameter; Thermal Conductivity Parameter

TN41 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A文章編號：

1009-0096（2014）06-0054-05

蘇新虹，教授級高級工程師，珠海方正印刷電路板發(fā)展有限公司研究院副院長，CPCA標準化工作委員會委員，《高亮度LED用印制電路板》和《高亮度LED用印制電路板試驗方法》標準工作組組長。