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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)編制工作始于2010年10月，歷時(shí)三年多，于2014年3月發(fā)布。文章對(duì)標(biāo)準(zhǔn)編制歷程、標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)編制過(guò)程中所解決的問(wèn)題以及標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用做了論述和說(shuō)明。

標(biāo)準(zhǔn)；高亮度LED；電路板；創(chuàng)新點(diǎn)；水平導(dǎo)熱參數(shù)；垂直導(dǎo)熱參數(shù)

1 標(biāo)準(zhǔn)編制的必要性

LED照明是針對(duì)現(xiàn)今“削減CO2排放量”為代表的世界環(huán)境問(wèn)題而采取的措施。照明領(lǐng)域的電力消耗量比較大，而LED照明因?yàn)楸劝谉霟?、熒光燈等一般照明燈具的耗電少、壽命長(zhǎng)而受到青睞，正在快速替代公共設(shè)施、辦公室、住宅、汽車(chē)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(biāo)準(zhǔn)。

2 標(biāo)準(zhǔn)編制歷程

2010年10月，CPCA和JPCA在中國(guó)深圳會(huì)談，決定開(kāi)始合作編撰LED聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃項(xiàng)目下達(dá)后，由珠海方正印刷電路板發(fā)展有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)方正PCB）牽頭組建標(biāo)準(zhǔn)修訂工作組，工作組由方正PCB擔(dān)任組長(zhǎng)單位，廣東生益科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)生益科技）、汕頭超聲印制板股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)汕頭超聲）擔(dān)任副組長(zhǎng)單位，聯(lián)合廣東正業(yè)科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)正業(yè)科技）等其他23家企業(yè)共同進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的修訂。聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)方法》為基礎(chǔ)，由CPCA標(biāo)準(zhǔn)化工作組收集、分析與研究國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)資料、研究修改標(biāo)準(zhǔn)、驗(yàn)證試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果，制定中日聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)，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(yàn)方法》。

2010年12月，首次中日兩國(guó)聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)會(huì)議在中國(guó)杭州舉行，JPCA的專(zhuān)家在會(huì)上詳細(xì)介紹了日方標(biāo)準(zhǔn)對(duì)導(dǎo)熱性測(cè)試試驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理。2011年6月，第十屆東北亞林準(zhǔn)合作論壇第七工作組。NEAS（F WG7）會(huì)議在韓國(guó)釜山召開(kāi)，CPCA、JPCA與KPCA就LED標(biāo)準(zhǔn)合作達(dá)成一致意見(jiàn)，決定編撰CJK聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)。此后舉行的多次CJK工作組會(huì)議上討論了此標(biāo)準(zhǔn)制定中的問(wèn)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(yàn)方法》在CPCA范圍內(nèi)進(jìn)行了第一次意見(jiàn)征集。2012年4月至11月，正業(yè)科技對(duì)日方提供的樣品進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)正業(yè)科技使用國(guó)內(nèi)芯片做熱源，測(cè)試了由方正PCB、生益科技、景旺電子（深圳）有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)景旺電子）提供的樣板。2012年7月，在CPCA范圍內(nèi)進(jìn)行了第二次意見(jiàn)征集。

2013年11月20日，中日雙方在中國(guó)東莞召開(kāi)導(dǎo)熱參數(shù)測(cè)試方法討論會(huì)。會(huì)后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂完善，編寫(xiě)征求意見(jiàn)三稿。2014年1月，在CPCA范圍內(nèi)進(jìn)行了第三次意見(jiàn)征集。

2014年2月，根據(jù)第三次征集的意見(jiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)再次進(jìn)行修訂，形成標(biāo)準(zhǔn)送審稿，并在CPCA網(wǎng)站上公示。對(duì)收到的意見(jiàn)進(jìn)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(guò)，經(jīng)修改后形成報(bào)批稿，2014年3月中旬先以CPCA行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)形式發(fā)布。

3 標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新點(diǎn)

高亮度LED用印制電路板標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)方法》兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，下面分別介紹這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新點(diǎn)。

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

本標(biāo)準(zhǔn)以JPCA-TMC-LED01S-2010《高亮度LED用印制電路板規(guī)范》為基礎(chǔ)，規(guī)定了主要應(yīng)用于LED照明設(shè)備的高亮度LED用印制電路板設(shè)計(jì)、質(zhì)量、性能、試驗(yàn)方法和標(biāo)識(shí)、包裝、保管的相關(guān)要求。

本標(biāo)準(zhǔn)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有如下兩點(diǎn)：

（1）提出了垂直導(dǎo)熱參數(shù)和水平導(dǎo)熱參數(shù)的概念；

（2）按照導(dǎo)熱性和絕緣性的不同，給出了印制板的分類(lèi)和等級(jí)。

下面詳述：

（1）垂直導(dǎo)熱參數(shù)和水平導(dǎo)熱參數(shù)定義

垂直導(dǎo)熱參數(shù) thermal conductivity parameter

在規(guī)定測(cè)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(kāi)[W/ (m?K)]

水平導(dǎo)熱參數(shù) heat transfer parameter

在規(guī)定測(cè)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(kāi)[W/ (m2?K)]

（2）印制板的分類(lèi)和等級(jí)

對(duì)于高亮度LED用印制板，必須對(duì)具備散熱特性的基板進(jìn)行大致分類(lèi)，并且設(shè)定與產(chǎn)品用途相關(guān)的分類(lèi)等級(jí)。在本標(biāo)準(zhǔn)中，沒(méi)有選擇按照基板類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，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(duì)基板散熱性進(jìn)行等級(jí)劃分，并按照與散熱性相反的絕緣性要求的不同進(jìn)行電氣分類(lèi)。

具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于印制板的分類(lèi)和等級(jí)，按照導(dǎo)熱性區(qū)分為A、B、C三大類(lèi)；按照絕緣性區(qū)分，將每大類(lèi)分為三個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表1。有關(guān)各種等級(jí)基材的區(qū)分、印制板用途分類(lèi)及不同用途者，見(jiàn)圖1所示。

3.2 CPCA 5041-2014《高亮度LED用印制電路板試驗(yàn)方法》主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)介紹

表1 印制板分類(lèi)和等級(jí)

圖1 印制板板材和不同用途分類(lèi)舉例

本標(biāo)準(zhǔn)以JPCA-TMC-LED02T-2010《高亮度LED用印制板試驗(yàn)方法》為基礎(chǔ)，對(duì)用于高亮度LED用印制電路板的試驗(yàn)方法做出了規(guī)定。

本標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新點(diǎn)為：建立了垂直導(dǎo)熱參數(shù)和水平導(dǎo)熱參數(shù)的測(cè)量方法。

3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證階段

正業(yè)科技首先使用日方設(shè)備對(duì)日方提供的測(cè)試樣品進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證：

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

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

JPCA認(rèn)為，只有差異＜15%時(shí)，結(jié)果才可接受。因此，綜合垂直導(dǎo)熱參數(shù)和水平導(dǎo)熱參數(shù)結(jié)果，還需對(duì)測(cè)試方法做進(jìn)一步探討。

同時(shí)，正業(yè)科技還使用國(guó)內(nèi)熱源芯片對(duì)方正PCB、生益科技、景旺電子等公司提供的新的樣板進(jìn)行了測(cè)試，數(shù)據(jù)顯示，雖然測(cè)試結(jié)果重復(fù)性誤差較好，但需要等待較長(zhǎng)時(shí)間，測(cè)試數(shù)據(jù)才能基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.2 正業(yè)科技對(duì)試驗(yàn)方法所做的改進(jìn)

正業(yè)科技通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，詳細(xì)分析了對(duì)測(cè)試結(jié)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(lèi)型，導(dǎo)熱介質(zhì)（導(dǎo)熱膠）的類(lèi)型，設(shè)備功率模塊的穩(wěn)定性、熱電偶精度、電阻測(cè)量精度，不同操作者對(duì)金屬線(xiàn)的選材及焊接、導(dǎo)熱膠的涂覆，均可能對(duì)測(cè)試結(jié)果造成一定的影響。針對(duì)以上問(wèn)題，正業(yè)科技在日方設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行了整合、改進(jìn)，制造了導(dǎo)熱參數(shù)測(cè)試儀——熱阻儀。針對(duì)影響測(cè)試結(jié)果的因素分析，規(guī)定了熱源芯片的型號(hào)，選擇導(dǎo)熱性好的導(dǎo)熱膠，并給出了導(dǎo)熱膠的型號(hào)和厚度要求，使熱源芯片與評(píng)估基板全接觸，評(píng)估基板與試驗(yàn)平臺(tái)間全接觸；焊線(xiàn)連接或者打線(xiàn)鍵合時(shí)使用鍍銀線(xiàn)，焊接后用萬(wàn)用表測(cè)試電性能，等等，以最大限度減少這些因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

3.2.3 最終形成的測(cè)試方法

標(biāo)準(zhǔn)修訂工作組在參考正業(yè)科技所做試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)反復(fù)比較研究，最終確定了如下方法作為本標(biāo)準(zhǔn)推薦的垂直導(dǎo)熱參數(shù)和水平導(dǎo)熱參數(shù)測(cè)試方法：

（1）水平方向的導(dǎo)熱參數(shù)的測(cè)試方法

①裝置

測(cè)試水平方向的導(dǎo)熱參數(shù)時(shí)，試驗(yàn)平臺(tái)邊長(zhǎng)約30 cm，環(huán)境溫度變化控制在±0.2 ℃以?xún)?nèi)，中央放置試樣和溫度傳感器，熱源應(yīng)在箱體內(nèi)中央位置，熱電偶測(cè)量箱內(nèi)空氣溫度的位置在試樣下面25 mm處。如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)熱源），兼作熱源和測(cè)溫。熱源芯片與試樣間涂覆導(dǎo)熱膠，一般來(lái)講，導(dǎo)熱膠的熱傳導(dǎo)率要大于1 W/（m?K），厚度要小于5 mm，如Ag paste。熱源芯片和測(cè)試樣品以焊線(xiàn)連接或者打線(xiàn)鍵合。試樣四個(gè)角的焊盤(pán)焊接導(dǎo)線(xiàn)。

③試驗(yàn)

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(yàn)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(duì)應(yīng)的，水平方向負(fù)荷發(fā)熱量與熱阻之間的關(guān)系如表2所示。當(dāng)熱源芯片溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，測(cè)得的熱源溫度為T(mén)s，熱電偶測(cè)得的測(cè)試箱內(nèi)的溫度為T(mén)a。水平方向的熱阻Rp按下式計(jì)算：

表2 水平方向與垂直方向負(fù)荷發(fā)熱量與熱阻之間關(guān)系

式中：Rp——水平方向的熱阻，單位為開(kāi)每瓦(K/W)；

Ts——熱源芯片溫度；

Ta——熱電偶測(cè)得的測(cè)試箱內(nèi)的溫度；

Φ——熱源芯片的發(fā)熱量。

用Rp計(jì)算水平導(dǎo)熱參數(shù)he，計(jì)算式如下：

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

0.0025——試樣的面積，單位為平方米（m2）。

（2）垂直方向的導(dǎo)熱參數(shù)的測(cè)試方法

①裝置

測(cè)試垂直方向的導(dǎo)熱參數(shù)，裝置使用含100 mm×100 mm×85 mm的金屬臺(tái)座的水冷裝置，水溫變化控制在±0.2 ℃以?xún)?nèi)，檢測(cè)平臺(tái)上的金屬臺(tái)座可以用螺絲固定試樣。垂直方向試驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。

②試樣的選擇

測(cè)定垂直方向?qū)釁?shù)使用的試樣，與測(cè)定水平方向?qū)嵝Q食時(shí)使用的試樣相同，試樣與金屬臺(tái)座之間應(yīng)涂硅脂類(lèi)導(dǎo)熱材料。

③試驗(yàn)

圖3 垂直方向熱阻試驗(yàn)裝置

試樣上安裝熱源芯片，以測(cè)量溫度變化。試樣用螺絲固定在金屬臺(tái)座上。金屬臺(tái)座與試樣之間涂有硅脂類(lèi)導(dǎo)熱材料，以降低接觸熱阻。在金屬臺(tái)座離試樣一端10 mm以?xún)?nèi)位置安裝熱電偶。在冷卻水槽內(nèi)也安裝熱電偶，以測(cè)量水溫。如圖5所示，金屬臺(tái)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(duì)應(yīng)的，垂直方向負(fù)荷發(fā)熱量與熱阻之間的關(guān)系見(jiàn)表2所示。當(dāng)熱源芯片的溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，確定金屬臺(tái)座上溫度與冷卻水的溫度相差2 ℃以下，測(cè)得的熱源芯片的溫度Ts和金屬臺(tái)座的溫度Tb。垂直方向的熱阻Rt按下式計(jì)算：

式中：Rt——垂直方向的熱阻；單位為開(kāi)每瓦（K/W）；

Ts——熱源芯片的溫度；

Tb——金屬臺(tái)座的溫度；

Φ——熱源芯片的發(fā)熱量。

用Rt計(jì)算出垂直導(dǎo)熱參數(shù)ke，計(jì)算式如下：

式中：ke——垂直導(dǎo)熱參數(shù)，單位是瓦每米開(kāi)[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(kāi)每瓦（k/W）；

2.5×10-5——熱源芯片的測(cè)溫實(shí)際面積，單位為平方米（m2）。

（3）對(duì)于測(cè)試方法的進(jìn)一步說(shuō)明

測(cè)試時(shí)，除應(yīng)遵循以上方法外，還應(yīng)注意：

①測(cè)試應(yīng)在恒溫恒濕條件下進(jìn)行；

②水平方向和垂直方向?qū)釁?shù)測(cè)試，測(cè)試前等待時(shí)間為30 min ~ 60 min；

③溫度傳感器測(cè)試前需要校準(zhǔn)；

④測(cè)試時(shí)，應(yīng)在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后讀取測(cè)量?jī)x器的數(shù)據(jù)；

⑤測(cè)試裝置測(cè)量的導(dǎo)熱參數(shù)的重復(fù)精度p應(yīng)確保在5%以?xún)?nèi)，計(jì)算公式如下：

式中：max（x1，x2，...，xn）——測(cè)量樣本中的最大值（n≥5）；

min（x1，x2，...，xn）——測(cè)量樣本中的最小值（n≥5）；

Ex——表示測(cè)量樣本的均值。

4 結(jié)論

（1）高亮度LED用印制電路板兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)給出了印制板的分類(lèi)和等級(jí)和各種等級(jí)基材的區(qū)分、印制板用途分類(lèi)。在實(shí)際應(yīng)用中，不僅對(duì)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(chǎn)品用途相關(guān)的分類(lèi)，兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于高亮度LED用印制電路板的設(shè)計(jì)和選材，具有一定的指導(dǎo)意義。同時(shí)，對(duì)有熱管理要求的印制板也有參考性。

（2）兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，規(guī)范了導(dǎo)熱參數(shù)的測(cè)試方法，并更細(xì)致的對(duì)測(cè)試時(shí)使用的諸如用于粘結(jié)的導(dǎo)熱材料、熱阻材料等材料的選擇做出了推薦。盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)中推薦的材料，可以使導(dǎo)熱參數(shù)測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確。

（3）基板散熱性評(píng)估是高亮度LED用印制電路板的一個(gè)重要方面，為此國(guó)產(chǎn)的熱阻儀能夠方便、快捷地對(duì)基板散熱性進(jìn)行測(cè)量，為用戶(hù)提供了一種高亮度LED用散熱基板導(dǎo)熱能力的較佳的評(píng)估方案，可以幫助用戶(hù)定量的評(píng)估材料導(dǎo)熱性能的優(yōu)劣，以方便選擇合適的基材。

致謝：兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)從立項(xiàng)到發(fā)布，歷時(shí)三年多，并于2014年3月12日正式發(fā)布。在此對(duì)在本標(biāo)準(zhǔn)編制過(guò)程中做出過(guò)貢獻(xiàn)的所有人員表示衷心的感謝，感謝CPCA標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的指導(dǎo)；感謝JPCA和KPCA對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)的編制給予的支持和幫助；感謝正業(yè)科技為本標(biāo)準(zhǔn)所做的大量試驗(yàn)驗(yàn)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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

1009-0096（2014）06-0054-05

蘇新虹，教授級(jí)高級(jí)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(zhǎng)，CPCA標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)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(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)工作組組長(zhǎng)。