高亮度LED用印制电路板标准介绍

苏新虹 任 敏

（珠海方正印刷电路板发展有限公司，广东 珠海 519175）

高亮度LED用印制电路板标准介绍

苏新虹 任 敏

（珠海方正印刷电路板发展有限公司，广东 珠海 519175）

高亮度LED用标准编制工作始于2010年10月，历时三年多，于2014年3月发布。文章对标准编制历程、标准的创新点、标准编制过程中所解决的问题以及标准的应用做了论述和说明。

标准；高亮度LED；电路板；创新点；水平导热参数；垂直导热参数

1 标准编制的必要性

LED照明是针对现今“削减CO2排放量”为代表的世界环境问题而采取的措施。照明领域的电力消耗量比较大，而LED照明因为比白炽灯、荧光灯等一般照明灯具的耗电少、寿命长而受到青睐，正在快速替代公共设施、办公室、住宅、汽车等原有照明。因此，作为支撑LED元件的印制电路板，今后将向适用于更高亮度LED元件和大功率化方向发展，这就有必要制定高亮度LED用印制电路板标准。

2 标准编制历程

2010年10月，CPCA和JPCA在中国深圳会谈，决定开始合作编撰LED联合标准，标准计划项目下达后，由珠海方正印刷电路板发展有限公司（以下简称方正PCB）牵头组建标准修订工作组，工作组由方正PCB担任组长单位，广东生益科技股份有限公司（以下简称生益科技）、汕头超声印制板股份有限公司（以下简称汕头超声）担任副组长单位，联合广东正业科技股份有限公司（以下简称正业科技）等其他23家企业共同进行标准的修订。联合标准以JPCA-TMC-LED01S-2010《高亮度LED用印制电路板规范》、JPCA-TMC-LED02T-2010《高亮度LED用印制板试验方法》为基础，由CPCA标准化工作组收集、分析与研究国内外相关技术资料、研究修改标准、验证试验方法及试验结果，制定中日联合标准，分别是：《高亮度LED用印制电路板》、《高亮度LED用印制电路板试验方法》。

2010年12月，首次中日两国联合标准会议在中国杭州举行，JPCA的专家在会上详细介绍了日方标准对导热性测试试验的设计原理。2011年6月，第十届东北亚林准合作论坛第七工作组。NEAS（F WG7）会议在韩国釜山召开，CPCA、JPCA与KPCA就LED标准合作达成一致意见，决定编撰CJK联合标准。此后举行的多次CJK工作组会议上讨论了此标准制定中的问题。

2012年4月，《高亮度LED用印制电路板》、《高亮度LED用印制电路板试验方法》在CPCA范围内进行了第一次意见征集。2012年4月至11月，正业科技对日方提供的样品进行了试验验证，同时正业科技使用国内芯片做热源，测试了由方正PCB、生益科技、景旺电子（深圳）有限公司（以下简称景旺电子）提供的样板。2012年7月，在CPCA范围内进行了第二次意见征集。

2013年11月20日，中日双方在中国东莞召开导热参数测试方法讨论会。会后对标准进行修订完善，编写征求意见三稿。2014年1月，在CPCA范围内进行了第三次意见征集。

2014年2月，根据第三次征集的意见对标准再次进行修订，形成标准送审稿，并在CPCA网站上公示。对收到的意见进行了处理，形成最终送审稿。2014年3月3日完成表决，获得通过，经修改后形成报批稿，2014年3月中旬先以CPCA行业标准形式发布。

3 标准的创新点

高亮度LED用印制电路板标准分为《CPCA 6041-2014 高亮度LED用印制电路板》和《CPCA 5041-2014 高亮度LED用印制电路板试验方法》两个标准，下面分别介绍这两个标准的创新点。

3.1 CPCA 6041-2014《高亮度LED用印制电路板》主要创新点介绍

本标准以JPCA-TMC-LED01S-2010《高亮度LED用印制电路板规范》为基础，规定了主要应用于LED照明设备的高亮度LED用印制电路板设计、质量、性能、试验方法和标识、包装、保管的相关要求。

本标准的主要创新点有如下两点：

（1）提出了垂直导热参数和水平导热参数的概念；

（2）按照导热性和绝缘性的不同，给出了印制板的分类和等级。

下面详述：

（1）垂直导热参数和水平导热参数定义

垂直导热参数 thermal conductivity parameter

在规定测试条件下，芯片面积热流量与试样厚度方向温度梯度之比。单位为瓦每米开[W/ (m•K)]

水平导热参数 heat transfer parameter

在规定测试条件下，试样平均面积热流量与环境温度差之比。单位为瓦每平方米开[W/ (m2•K)]

（2）印制板的分类和等级

对于高亮度LED用印制板，必须对具备散热特性的基板进行大致分类，并且设定与产品用途相关的分类等级。在本标准中，没有选择按照基板类型进行分类，而是按最新所提到的垂直方向和水平方向的散热参数对基板散热性进行等级划分，并按照与散热性相反的绝缘性要求的不同进行电气分类。

具体来说，对于印制板的分类和等级，按照导热性区分为A、B、C三大类；按照绝缘性区分，将每大类分为三个等级，见表1。有关各种等级基材的区分、印制板用途分类及不同用途者，见图1所示。

3.2 CPCA 5041-2014《高亮度LED用印制电路板试验方法》主要创新点介绍

表1 印制板分类和等级

图1 印制板板材和不同用途分类举例

本标准以JPCA-TMC-LED02T-2010《高亮度LED用印制板试验方法》为基础，对用于高亮度LED用印制电路板的试验方法做出了规定。

本标准的创新点为：建立了垂直导热参数和水平导热参数的测量方法。

3.2.1 试验结果验证阶段

正业科技首先使用日方设备对日方提供的测试样品进行了试验验证：

垂直导热参数，正业科技测试结果平均值为4.32 w/（m·K），日本测试结果为3.94 w/（m·K），差异为9.64%[0.38 w/（m·K）]；

水平导热参数，正业科技测试结果平均值为18.7 w/（m·K）5，日本测试结果为15.75 w/（m·K），差异为19.05%[3.00 w/（m·K）]；

JPCA认为，只有差异＜15%时，结果才可接受。因此，综合垂直导热参数和水平导热参数结果，还需对测试方法做进一步探讨。

同时，正业科技还使用国内热源芯片对方正PCB、生益科技、景旺电子等公司提供的新的样板进行了测试，数据显示，虽然测试结果重复性误差较好，但需要等待较长时间，测试数据才能基本达到稳定状态。

3.2.2 正业科技对试验方法所做的改进

正业科技通过反复试验，详细分析了对测试结果可能存在影响的因素，有：环境温度、湿度，基板和热源芯片的类型，导热介质（导热胶）的类型，设备功率模块的稳定性、热电偶精度、电阻测量精度，不同操作者对金属线的选材及焊接、导热胶的涂覆，均可能对测试结果造成一定的影响。针对以上问题，正业科技在日方设备的基础上进行了整合、改进，制造了导热参数测试仪——热阻仪。针对影响测试结果的因素分析，规定了热源芯片的型号，选择导热性好的导热胶，并给出了导热胶的型号和厚度要求，使热源芯片与评估基板全接触，评估基板与试验平台间全接触；焊线连接或者打线键合时使用镀银线，焊接后用万用表测试电性能，等等，以最大限度减少这些因素对测量结果的影响。

3.2.3 最终形成的测试方法

标准修订工作组在参考正业科技所做试验的基础上，通过反复比较研究，最终确定了如下方法作为本标准推荐的垂直导热参数和水平导热参数测试方法：

（1）水平方向的导热参数的测试方法

①装置

测试水平方向的导热参数时，试验平台边长约30 cm，环境温度变化控制在±0.2 ℃以内，中央放置试样和温度传感器，热源应在箱体内中央位置，热电偶测量箱内空气温度的位置在试样下面25 mm处。如图2所示。

图2 试验装置

②试样的选择

试样使用中央带有5 mm×5 mm的热源芯片（标准热源），兼作热源和测温。热源芯片与试样间涂覆导热胶，一般来讲，导热胶的热传导率要大于1 W/（m•K），厚度要小于5 mm，如Ag paste。热源芯片和测试样品以焊线连接或者打线键合。试样四个角的焊盘焊接导线。

③试验

把带有热源芯片的试样用绝热材料的支撑架水平固定在试验箱中。热源芯片的发热量为Φ，与水方向的热阻Rp大小是对应的，水平方向负荷发热量与热阻之间的关系如表2所示。当热源芯片温度达到稳定状态后，测得的热源温度为Ts，热电偶测得的测试箱内的温度为Ta。水平方向的热阻Rp按下式计算：

表2 水平方向与垂直方向负荷发热量与热阻之间关系

式中：Rp——水平方向的热阻，单位为开每瓦(K/W)；

Ts——热源芯片温度；

Ta——热电偶测得的测试箱内的温度；

Φ——热源芯片的发热量。

用Rp计算水平导热参数he，计算式如下：

式中：he——水平导热参数，单位是瓦每平方米开（W/ (m2•K)）

0.0025——试样的面积，单位为平方米（m2）。

（2）垂直方向的导热参数的测试方法

①装置

测试垂直方向的导热参数，装置使用含100 mm×100 mm×85 mm的金属台座的水冷装置，水温变化控制在±0.2 ℃以内，检测平台上的金属台座可以用螺丝固定试样。垂直方向试验平台如图3所示。

②试样的选择

测定垂直方向导热参数使用的试样，与测定水平方向导热蚕食时使用的试样相同，试样与金属台座之间应涂硅脂类导热材料。

③试验

图3 垂直方向热阻试验装置

试样上安装热源芯片，以测量温度变化。试样用螺丝固定在金属台座上。金属台座与试样之间涂有硅脂类导热材料，以降低接触热阻。在金属台座离试样一端10 mm以内位置安装热电偶。在冷却水槽内也安装热电偶，以测量水温。如图5所示，金属台座放置于水槽中，有流水冷却，保持水温一定。热源芯片的发热量Φ，与垂直方向的热阻Rt大小是对应的，垂直方向负荷发热量与热阻之间的关系见表2所示。当热源芯片的温度达到稳定状态后，确定金属台座上温度与冷却水的温度相差2 ℃以下，测得的热源芯片的温度Ts和金属台座的温度Tb。垂直方向的热阻Rt按下式计算：

式中：Rt——垂直方向的热阻；单位为开每瓦（K/W）；

Ts——热源芯片的温度；

Tb——金属台座的温度；

Φ——热源芯片的发热量。

用Rt计算出垂直导热参数ke，计算式如下：

式中：ke——垂直导热参数，单位是瓦每米开[W/ （m•K）]；

t——试样厚度，单位为米（m）；

Rt——垂直方向的热阻；单位为开每瓦（k/W）；

2.5×10-5——热源芯片的测温实际面积，单位为平方米（m2）。

（3）对于测试方法的进一步说明

测试时，除应遵循以上方法外，还应注意：

①测试应在恒温恒湿条件下进行；

②水平方向和垂直方向导热参数测试，测试前等待时间为30 min ~ 60 min；

③温度传感器测试前需要校准；

④测试时，应在达到稳定状态后读取测量仪器的数据；

⑤测试装置测量的导热参数的重复精度p应确保在5%以内，计算公式如下：

式中：max（x1，x2，...，xn）——测量样本中的最大值（n≥5）；

min（x1，x2，...，xn）——测量样本中的最小值（n≥5）；

Ex——表示测量样本的均值。

4 结论

（1）高亮度LED用印制电路板两项标准给出了印制板的分类和等级和各种等级基材的区分、印制板用途分类。在实际应用中，不仅对于熟悉高亮度LED用印制板的使用者还是初始使用高亮度LED的人员，都能很容易理解与产品用途相关的分类，两项标准对于高亮度LED用印制电路板的设计和选材，具有一定的指导意义。同时，对有热管理要求的印制板也有参考性。

（2）两项标准的发布，规范了导热参数的测试方法，并更细致的对测试时使用的诸如用于粘结的导热材料、热阻材料等材料的选择做出了推荐。尽可能使用标准中推荐的材料，可以使导热参数测试结果更准确。

（3）基板散热性评估是高亮度LED用印制电路板的一个重要方面，为此国产的热阻仪能够方便、快捷地对基板散热性进行测量，为用户提供了一种高亮度LED用散热基板导热能力的较佳的评估方案，可以帮助用户定量的评估材料导热性能的优劣，以方便选择合适的基材。

致谢：两项标准从立项到发布，历时三年多，并于2014年3月12日正式发布。在此对在本标准编制过程中做出过贡献的所有人员表示衷心的感谢，感谢CPCA标准化委员会的指导；感谢JPCA和KPCA对本标准的编制给予的支持和帮助；感谢正业科技为本标准所做的大量试验验证工作；感谢全体组员单位的大力支持。

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">文献标识码：A文章编号：

1009-0096（2014）06-0054-05

苏新虹，教授级高级工程师，珠海方正印刷电路板发展有限公司研究院副院长，CPCA标准化工作委员会委员，《高亮度LED用印制电路板》和《高亮度LED用印制电路板试验方法》标准工作组组长。