XLamp LED 的 PCB 热性能 PCB Thermal Performance

优化Cree® XLamp® LED的PCB热性能
目录
前言
前言............................................1
本Cree应用说明概述了一种热管理方法，
本应用说明可作为基于热传递基本原理进
热管理的原理.................................2
利用该方法可帮助为XT、XP、XB、MX和
行设计的实用指南，其中包含建议性但非
XLamp热特性..........................2
ML系列XLamp LED开发出具有成本效益
权威性的模拟和测量数据。Cree认为这
PCB热特性..............................3
的热管理解决方案。
种方法对某些照明应用的设计比较适合，
散热过孔的设计.........................4
所以建议Cree的客户在考虑目前可用的
未填充过孔与填充过孔.................5
在LED照明系统中，其中最关键的设计参
许多种热管理方法时，也评估这种方案。
热性能模拟....................................7
数之一是该系统从LED结点排除热量的能
有关LED热管理的其他指南，请参阅应用
表面散热.................................7
力。LED结点处很高的工作温度会给LED
说明“Cree XLamp LED热管理”。2
过孔散热.................................9
的性能带来不利影响，导致光输出减少和
组合面和过孔研究.................... 11
工作寿命缩短。 1 为了正确地控制这种热
热模拟结果摘要....................... 13
量，在照明应用中，LED的设计、装配和
温度验证测量............................... 14
CLD-AP37 REV 2D
技术文章
运行都应遵循特定的规范。
推荐的电路板布局......................... 16
用于XLamp XP和XT封装的
本应用说明概述了一种用于设计一款能够
FR-4电路板........................... 17
优化LED的热传递且成本较低的印刷电路
用于XLamp XB封装的FR-4
板（PCB）布局的方法。此方法需要使用
电路板.................................. 18
基于FR-4的印刷电路板，与金属芯印刷
用于XLamp MX封装的FR-4
电路板（MCPCB）相比，FR-4电路板成
电路板.................................. 20
本更低，不过热阻更大。在LED导热垫下
用于XLamp ML封装的FR-4
方使用金属衬里的孔或过孔是一种散热方
电路板.................................. 21
法，可以通过FR-4印刷电路板散热并传递
化学相容性.................................. 22
到相应的散热片将热量散发出去。
参考文献.................................... 22
C r e e   X L a m p   L E D 设计有热电分离结
构。Cree早在约十年前就率先开发出这一
项LED特点，允许在FR-4PCB中使用金属
过孔。对于某些照明系统设计，散热过孔
使得能够采用FR-4电路板，而无需使用金
属芯电路板。这样可以通过选择合适的电
www.cree.com/Xlamp
路板和散热片来节省系统成本。
1
见“Cree XLamp长期流明维持率”，
CLD-AP28，www.cree.com/xlamp_
app_notes/XRE_lumen_maintenance
2
“Cree XLamp LED的热管理”，
CLD-AP05，www.cree.com/xlamp_
app_notes/thermal_management
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件
仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解产品规格，请参阅www.cree.com上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系
Cree销售部。
Cree, Inc.
4600 Silicon Drive
Durham, NC 27703
美国电话：+1.919.313.5300
www.cree.com/xlamp
优化PCB热性能
Figure 1. Cree XLamp XP LED Package
热管理的原理
不建议将本应用说明中的方法应用于功率超过5瓦的Cree LED，包括MC-E、MP-L和MT-G。对于低功率应用，此方法可用于XM-L和
XM-L EZW LED。
XLamp热特性
所有XLampLED封装都有一个电绝缘的导热垫。导热垫为热传递提供了一条有效的通道，可使LED芯片结点到导热垫之间的热阻达到最
佳水平。而且，导热垫与LED的阴极和阳极之间都是电绝缘的，可焊接或直接安装到电路板或散热片系统的接地元件上。
阳极
LED芯片
透镜
散热焊盘
阴极
陶瓷基底
AlNsubstrate
图1：
图1: Cree XLamp XP LED封装
热量从LED封装传导至导热垫，然后进入PCB电路板中，因此电路板应安装在散热片上，以将导出的热量传递到工作环境中。3
表1和表2列出了不同XLamp系列LED的典型热阻值（结点到焊点）。
热阻（˚C/W）
色彩
白色
（冷白、中性白、暖白）
ML-B
ML-C
ML-E
MX-3
MX-6
XB-D
XM-L
XM-L
EZW
XM-L
HVW
XP-C
XP-E
XP-G
XT-E
XT-E
HVW
25
13
11
11
5
6.5
2.5
2.5
3.5
12
9
4
5
6.5
表1：
图1: Cree XLamp白光LED的典型热阻值
3
在本文件随后的讨论和模拟中，我们假设PCB安装在可以将电路板背面的温度维持在25 ºC的无限大散热片上。
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
2
优化PCB热性能
热阻（˚C/W）
色彩
ML-E
XP-C
XP-E
宝蓝色
n/a
12
9
蓝色
11
12
9
绿色
15
20
15
琥珀色
n/a
15
10
红色
15
10
10
橘红色
n/a
10
10
表2：
表2: Cree XLamp彩色LED的典型热阻值n/a表示Cree不提供此LED
PCB热特性
FR-4
FR-4是最常用的PCB材料之一，是美国国家电气制造商协会（National Electrical Manufacturers Association，NEMA）对一种
阻燃、玻璃纤维加强型环氧布层压板定义的代号。这种结构的缺点是FR-4的热导率非常低。图2所示为双层FR-4电路板的典型横断面几
何形状。
热源
散热焊盘
阻焊层
顶层铜
FR4电介质
底层铜
化学浸金
图2: FR-4电路板的横断面几何形状（不按比例）
图2：
根据下面表2中的热导率值可以计算出每层的热阻，每层热阻相加即等于FR-4电路板的总热阻。
θPCB = θ第1层 + θ第2层 + θ第3层 ... + θ第N层
（1）
对于某一特定层，其热阻可以用下面的公式计算得出：
θ = l / （k x A）
（2）
其中l是层厚，k是热导率，A是与热源垂直的面积。
对于一块厚1.6 mm、面积约为270 mm2的星形电路板，计算得出的穿透热阻约为30 ºC/W。请记住，该计算只是一维的，未考虑热源
的大小以及扩散、对流热阻或边界条件。如果热源尺寸较小，例如3.3 mm x 3.3 mm，则得到的一维热阻将增加至700 ºC/W以上。
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
3
优化PCB热性能
层/材料
厚度（µm）
导热性（W/mK）
SnAgCu焊料
75
58
顶层铜
70
398
1588
0.2
70
398
5
4.2
FR-4介电层
底层铜
无电镀镍/浸金（化学镍金）
表3：
表3: FR-4电路板各层的典型热导率
金属芯印刷电路板（MCPCB）
简单的单层MCPCB都由4层组成：阻焊层、铜电路层、导热介电层和金属芯基层（如图3所示）。前三层经过层压结合在一起，提供一个
散热通路。金属基层通常采用铝，不过也可以使用钢和铜。
热源
散热焊盘
阻焊层
顶层铜
介电层
铝基底
图3：
图3: MCPCB电路板的横断面几何形状（不按比例）
对于一块厚度为1.6 mm、面积约270 mm2的星形电路板，可以根据下面表4中的热导率值计算得出其一维穿透热阻约为0.2ºC/W。
如果热源尺寸较小，例如3.3 mm x 3.3 mm，则得到的热阻为5.3 ºC/W。此情况下，限制因素在于印刷电路板的介电层。
层/材料
SnAgCu焊料
顶层铜
PCB介电层
铝板
厚度（µm）
导热性（W/mK）
75
58
70
398
100
2.2
1588
150
表4: MCPCB各层的典型热导率
表4：
散热过孔的设计
改善FR-4 PCB电路板热传递性能的一种廉价方法是添加散热过孔——导体层之间的镀通孔（PTH）。过孔是先钻孔再在其上镀铜而成，
与各层之间的电气互连所用的PTH或过孔方法相同。
散热过孔
顶层铜
FR4电介质
阻焊层
底层铜
图4: FR-4电路板的横断面几何形状与散热过孔（不按比例）
图4：
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
4
优化PCB热性能
过孔直径0.3
mm，
过孔直径0.6
阻焊层
mm，
带35um镀层
带35um镀层
顶层铜
FR4电介质
底层铜
图5：
图5: FR-4电路板基层中较大和较小散热过孔的横断面几何形状
以适当的方法增加过孔有助于降低FR-4电路板的热阻。单个过孔的热阻可以用同一公式（θ = l / （k x A））计算得出。对于单个直径
为0.6 mm、已被焊料填充的过孔，可以根据表4中的值计算得出其热阻为（1.588 x 10-3）/（58 x（� x（0.5 x 0.6 x 10-3）2））=
96.8 ºC/W。不过，如有N个过孔，则面积将是单个过孔的N过孔倍，结果为：
θ过孔 = l /（N过孔 x k x A）（3）
请注意，这仅适用于热源与散热过孔垂直的情况下；否则，热阻将由于热扩散效应而增加。要计算LED导热垫下方（或与其垂直的）
区域的总热阻，应先确定介电层和过孔的当量热阻。为了简化起见，将这两个热阻视作并联处理，然后应用此公式：
θ过孔
|| FR-4
= [（1/θ过孔）+（1/θFR-4）]-1
（4）
对于一块有五个直径为0.6 mm的焊料填充过孔、面积为270 mm 2的电路板，可以根据表5中的值计算得出其近似热阻为12ºC/W，
较之根据表3中的数据推算得出的初始热阻30ºC/W降低了60%。
层/材料
厚度（µm）
导热性（W/mK）
SnAgCu焊料
75
58
顶层铜
70
398
FR-4
1588
0.2
填充过孔（SnAgCu）
1588
58
70
398
25
0.2
底层铜
阻焊层（可选）
表5: FR-4电路板各层（包括散热过孔）的典型热导率
表5：
未填充过孔与填充过孔
与填充过孔相比，未填充过孔将导致更高的热阻，这是因为与热源垂直的面积减少，公式如下：
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
5
优化PCB热性能
Application Note: Optimizing PCB Thermal Performance for Cree XLampLEDs AN_100302-draft8e.docx
Application Note: Optimizing PCB Thermal Performance for Cree XLampLEDs AN_100302-draft8e.docx
A = � x（D x t – t2）（5）
via compared to 96.8 ºC/W. For the same sized board and number of vias as in the previous example,
via
compared
96.8 ºC/W. For
the same
sized board
and~28
number
of vias as in the previous example,
the
resulting to
through-plane
thermal
resistance
becomes
ºC/W.
其中D是过孔直径，t是镀层厚度。
the resulting through-plane thermal resistance becomes ~28 ºC/W.
However, the ability to create solid (copper) filled vias delivers additional reduced thermal resistance,
However, the ability to create solid (copper) filled vias delivers additional reduced thermal resistance,
as compared to vias filled with SnAgCu solder.
2
as compared to vias filled with SnAgCu solder.
对于直径为0.6 mm、铜镀层厚度为35 µm（1 oz.）的过孔，与导热垫垂直的面积只有0.06 mm
，得到的每个过孔的热阻为
64 ºC/W，相比较而言，同等规格的焊料填充过孔垂直于导热垫的面积则达到0.28 mm2，每个过孔的热阻为42 ºC/W，如果是完全用
In general, increasing plating thickness during PCB production will improve thermal resistance of vias.
InConsult
general,with
increasing
plating
thicknesstoduring
PCB production
will improve
thermal resistance of vias.
铜填充的过孔，则可以降低到14 ºC/W。
your PCB
manufacturer
determine
if thicker plating
is feasible.
Consult with your PCB manufacturer to determine if thicker plating is feasible.
Non-filled vias may become filled with solder during reflow. However, depending on a number of
一般说来，在PCB生产过程中可以通过增加镀层厚度来降低过孔的热阻。在上面的示例中，如果将镀层厚度增加到70 µm（2 oz.），
Non-filled vias may become filled with solder during reflow. However, depending on a number of
factors, this may not occur reliably. The vias, if not reliably filled, are not an effective heat
则每个过孔的热阻将降低到34 ºC/W。请咨询PCB制造商，确定采用更厚的镀层是否可行。
factors,
this maytool.
not occur reliably. The vias, if not reliably filled, are not an effective heat
management
management tool.
Other than creating a solid via during the plating process in PCB production, another option is to fill the
未填充的过孔在回流焊期间可能会被焊料填充。不过，由于受许多因素的影响，真实情况可能不会总是如此，因此过孔的导热效率会
Other
than copper
creating(or
a some
solid via
during
the plating
process
in PCBsuch
production,
anotherepoxy)
optionas
is part
to fillofthe
vias with
other
thermally
conductive
material
as conductive
the
vias
with
copper
(or
some
other
thermally
conductive
material
such
as
conductive
epoxy)
as
part
of the
PCB fabrication process. But this adds an additional step to fabrication and may increase the cost
of
PCB
process. But this adds an additional step to fabrication and may increase the cost of
the fabrication
board.
the
board.
生产PCB时在电镀工艺中制作实心过孔的一种方案是用诸如环氧树脂等导热材料填充过孔，并将此过程纳入PCB制造流程。不过，这给
有所下降。
Solder voiding in open PTH vias.
制造过程增加了额外的步骤，可能导致电路板成本增高。
Solder voiding in open PTH vias.
Figure 6a shows an example of unfilled vias after reflow, and Figure 6b shows an example of solder
未填充PTH过孔中的空洞
Figure
shows anthe
example
unfilledinvias
andincrease
Figure 6b
an resistance
example ofofsolder
voids 6a
underneath
deviceof(shown
red).after
Thereflow,
voids will
theshows
thermal
the
thermal interface. Also, the solder may overfill the hole leading to bumps on the bottom of the board
thermal
interface.
the solder
may overfill
the hole
to bumps
of limit
the board
孔中溢出，导致在电路板底部形成突起，致使电路板与散热片之间的接触面积减少。
which can
reduceAlso,
contact
area between
the board
andleading
heat sink.
Steps on
canthe
bebottom
taken to
the
which
can
reduce
contact
area
between
the
board
and
heat
sink.
Steps
can
be
taken
to
limit
amount of solder wicking. One way is to maintain a via diameter smaller than 0.3 mm. With the
smaller
amount
of surface
solder wicking.
way
is tosolder
maintain
a via
smaller
thanof0.3
mm. With
smaller
vias, the
tension One
of the
liquid
inside
thediameter
via is more
capable
countering
the
force of
可以采取措施控制焊料爬越的量。一种方法是保持过孔直径小于0.3 mm。过孔越小，过孔内液态焊料的表面张力越能对抗焊料所受
vias,
the
surface
tension
of
the
liquid
solder
inside
the
via
is
more
capable
of
countering
the
force of
gravity on the solder. If the via structure is constructed following the guidelines mentioned above,
gravity
oninside
the solder.
If the via
is constructed
following
the solder
guidelines
mentioned
above,
的重力。如果过孔结构依照上述指南而建，将过孔内径保持在0.25 mm–0.3 mm左右，即可将焊料爬越量减至最少。这种方法的弊
holding
via diameter
tostructure
around 0.25
mm – 0.3 mm,
minimal
wicking
is achieved.
The
holding
inside
via
diameter
to
around
0.25
mm
–
0.3
mm,
minimal
solder
wicking
is
achieved.
The
drawback to this approach is that smaller open vias will result in a higher overall thermal resistance.
端在于较小的未填充过孔将会导致总热阻增高。
drawback to this approach is that smaller open vias will result in a higher overall thermal resistance.
图6所示为回流焊后未填充过孔的示例。图7所示为器件下方空洞的示例（以红色表示）。空洞将增加热界面的热阻。此外，焊料可能从
voids underneath the device (shown in red). The voids will increase the thermal resistance of the
图6：
图6: 未填充过孔
Figure
6a. Unfilled vias
Figure 6a. Unfilled vias
图7: 空洞（不按比例）
Figure 6b. Solder 图7：
voiding
(not to scale)
Figure 6b. Solder voiding (not to scale)
Another technique for limiting solder wicking involves using solder mask to restrict the flow of solder
Another
technique
limiting
involves
solder
mask
to restrict
thesolder
flow ofmask
solder
from the
top side for
of the
PCBsolder
to the wicking
bottom side.
Oneusing
process,
called
“tenting”,
uses
to
from
the
top
side
of
the
PCB
to
the
bottom
side.
One
process,
called
“tenting”,
uses
solder
mask
to to
prevent solder from either entering or exiting the thermal vias, depending on the side of the board
prevent
solder
frommask
either
or exiting
thermal
vias,
on to
thecover
side of
the
board
which the
solder
is entering
placed. Tenting
thethe
bottom
side
withdepending
solder mask
and
plug
the to
which
the
solder
mask
is
placed.
Tenting
the
bottom
side
with
solder
mask
to
cover
and
plug
the
thermal vias can prevent solder from flowing down into the via and onto the bottom of the board. In
thermal
vias
prevent
solder
from
flowingmask
downare
into
the via
andthe
onto
the bottom
of the
the top
board.
top-side
viacan
tenting,
small
areas
of solder
placed
over
thermal
vias on
sideInof the
top-side
via
tenting,
small
areas
of
solder
mask
are
placed
over
the
thermal
vias
on
the
top
side
of the
PCB to prevent solder from flowing into the vias from the top side of the board.
PCB to prevent solder from flowing into the vias from the top side of the board.
®
®
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree
、Cree徽标和XLamp
均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
Figure 7: Tented vias
with bottom-side
solder mask (not to scale)
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
Figure 7: Tented vias with bottom-side solder mask (not to scale)
In general Cree advocates creating copper-filled vias as being a more practical and effective
Intechnique,
general Cree
advocates
creating copper-filled
vias as being a more practical and effective
preferable
to solder-filled
vias.
6
Figure 6a. Unfilled vias
Figure 6b. Solder voiding (not to scale)
优化PCB热性能
Another technique for limiting solder wicking involves using solder mask to restrict the flow of solder
from the top side of the PCB to the bottom side. One process, called “tenting”, uses solder mask to
prevent solder from either entering or exiting the thermal vias, depending on the side of the board to
另一种控制焊料爬越的方法是使用阻焊层来防止焊料从PCB电路板的顶部流到底部。一种称为“盖孔法”的工艺使用阻焊层来防止焊料
which the solder mask is placed. Tenting the bottom side with solder mask to cover and plug the
thermal vias can prevent solder from flowing down into the via and onto the bottom of the board. In
进入或流出散热过孔，具体取决于阻焊层位于电路板的哪一面。通过用阻焊层盖住电路板的底部以遮盖并塞住散热过孔，能够防止焊料
top-side via tenting, small areas of solder mask are placed over the thermal vias on the top side of the
向下流入过孔，再流到电路板的底部。盖住顶部过孔是将小块阻焊层放置在PCB顶部的散热过孔上，以防止焊料从电路板顶部流入过孔。
PCB to prevent solder from flowing into the vias from the top side of the board.
图8：
图8: 底部阻焊层盖住的过孔（不按比例）
Figure 7:
Tented
vias with bottom-side solder mask (not to scale)
In general Cree advocates creating copper-filled vias as being a more practical and effective
technique, preferable to solder-filled vias.
热性能模拟
本节将介绍对一系列PCB配置进行计算机热分析所获得的结果。4
2010-02-16
Cree Company Confidential
Page 6 of 17
表面散热
图9中所示的第一个配置包括一块星形FR-4 PCB电路板，以及宽度不一的导热垫和两种电路板厚度（0.8 mm和1.6 mm）；底部铜
层是实心，也没有散热过孔。
最小迹线：3.3 mm宽
迹线：6.0 mm宽
迹线：10.0 mm宽
最大迹线：20.0 mm宽
图9：
图9: PCB电路板顶部导热垫宽度的变化
图表1中所示的分析结果表明，对于1.6 mm厚的电路板，在导热垫宽度超过12 mm后，热阻没什么改善；对于0.8 mm厚的电路板，
在导热垫宽度超过16 mm后，热阻没什么改善。
4Cree使用Ansys设计空间，www.ansys.com/products/structural-mechanics/products.asp
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
7
Chart 1
优化PCB热性能
FR4无过孔：顶部迹线尺寸 － 电路板焊点
70
60
1.6 mm厚的FR4无过孔
0.8 mm厚的FR4无过孔
热阻，电路板焊点（°C/W）
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
顶部迹线长度/宽度（mm）
图表1：
图表1: 无过孔且导热垫大小不同的FR-4 PCB电路板的热阻
Chart 2
下一配置除了电路板为MCPCB外，其他都与第一个配置相同。图表2显示，无论是哪一个电路板厚度，将导热垫的宽度增加到6 mm以
上后，热阻都没有什么改善。
MCPCB：顶部迹线尺寸 － 电路板焊点
5.0
1.6 mm厚的MCPCB
4.5
0.8 mm厚的MCPCB
4.0
热阻，电路板焊点（°C/W）
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0
5
10
15
20
25
顶部迹线长度/宽度（mm）
图表2：
图表2: 具有不同导热垫大小的MCPCB电路板的热阻
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
8
Figure 9: FR-4 board with 5 and 15 0.7mm diameter vias and 1mm pitch
优化PCB热性能
过孔散热
图表3显示，对于如图10中所示两种厚度（1.6 mm和0.8 mm）的电路板，在直径为0.7 mm、中心间距为1 mm的过孔中填充不同材
料所产生的影响。分析数据表明填铜的实心过孔使热阻较低，而未填充的过孔具有较高热阻。填充导热环氧树脂的过孔其性能仅略高于未
填充的过孔。
Chart 3: Thermal resistance for FR-4 vias filled with materials of differing conduc vity
未填充
图10：
图10: 分别带有五个和十五个直径为0.7 mm、间距为1 mm过孔的FR-4电路板
12.00
10.00
铜
8.00
6.00
导热环氧树脂
Thermal Resistance, Solder point through Board (°C/W)
1.6 mm厚的FR4 PCB，5个过孔
0.8 mm厚的FR4 PCB，5个过孔
1.6 mm厚的FR4 PCB，15个过孔
0.8 mm厚的FR4 PCB，15个过孔
焊料
14.00
4.00
2.00
0.00
-25
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
275
300
325
350
375
400
425
过孔导热性 (W/mK)
图表3: 以热导率不同的材料填充的FR-4电路板过孔的热阻
图表3：
图表4显示改变过孔直径和数量所带来的影响。对于本图，过孔用SnAgCu焊料填充。一如所料，过孔直径越大，热阻越小。减少过孔直
径而增加过孔数量也同样有相当大的改善。
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
9
优化PCB热性能
Chart 4
过孔尺寸
30
91个过孔，1.6 mm PCB
91个过孔，0.8 mm PCB
47个过孔，1.6 mm PCB
47个过孔，0.8 mm PCB
15个过孔，1.6 mm PCB
15个过孔，0.8 mm PCB
5个过孔，1.6 mm PCB
5个过孔，0.8 mm PCB
25
热阻，电路板焊点(°C/W)
20
15
10
5
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
过孔直径 (mm)
图表4：
图表4: 不同过孔直径和数量的FR-4 PCB电路板
Figure 10: FR-4 board with
varying numbers of thermal vias (2, 6, 8, 14, 58, and 102)
下一情况考虑如图11所示改变散热过孔数量所带来的影响。这些过孔均为实心镀铜过孔，直径为0.254 mm，中心间距为0.635 mm。
图表5中所示的结果表明，将过孔数量增加到14个以后热阻没什么改善。（这是与LED导热垫垂直的区域中可以达到的最大密度。）
图11：
图11: 不同散热过孔数量的FR-4电路板（2、6、8、14、58和102个）
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
10
优化PCB热性能
Chart 5
填充过孔数：直径10密耳，25.4密耳节径
20
1.6 mm厚的FR4 PCB
0.8 mm厚的FR4 PCB
1.6 mm MCPCB
0.8 mm MCPCB
18
16
热阻，电路板焊点 (°C/W)
14
12
10
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
填充铜的过孔数量
Figure 11: FR-4 PCB图表5：
with 14 thermal vias and varying top thermal pad widths
图表5: 不同铜填充散热过孔数量的FR-4电路板的热阻
(3.3, 4.0, 6.0, 10.0, 14.0, 20.0 mm)
组合面和过孔研究
下一组配置是具有14个直径为0.254 mm的铜填充过孔且具有不同导热垫宽度的FR-4 PCB电路板（如图12所示）。底部铜层为实心。
图表6中的数据表明，在宽度超过6 mm后，热阻几乎没有改善。
图12：
图12: 带有14个散热过孔且顶部导热垫宽度不同的FR-4 PCB电路板（3.3、4.0、6.0、10.0、14.0、20.0 mm）
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
11
Chart 6
9
优化PCB热性能
FR4 14个过孔：顶部迹线尺寸 － 电路板焊点
1.6 mm厚的FR4 PCB
8
0.8 mm厚的FR4 PCB
热阻，电路板焊点 (°C/W)
7
6
5
4
3
2
1
0
15
20
Figure 12: FR-40 PCB with 145 thermal vias10and varying
bottom
thermal
pad widths25
mm
(3.3, 4.0, 6.0, 10.0, 14.0, 20.0 mm)
迹线宽度 (
)
图表6：
图表6: 带有14个过孔且导热垫宽度不同的FR-4 PCB电路板的热阻
最后，重复前一情形，但是采用如图13所示宽度的底部导热垫。图表7中所示结果表明，热阻略有差别，热阻随着底部导热垫宽度的增加
而降低。
图13：
图13: 带有14个过孔且底部导热垫宽度不同的FR-4 PCB电路板（3.3、4.0、6.0、10.0、14.0、20.0 mm）
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
12
Chart 7
优化PCB热性能
FR4 14个过孔：顶部+底部迹线尺寸 － 电路板焊点
10
完全背面和变化的正面_ 1.6 mm PCB
完全背面和变化的正面_ 0.8 mm PCB
变化的背面和正面，1.6 mm PCB
变化的背面和正面，10.8 mm PCB
9
8
热阻，电路板焊点 (°C/W)
7
6
5
4
3
2
1
0
0
5
10
顶部+底部迹线宽度 (mm)
15
20
25
图表7：
图表7: 带有14个过孔及宽度不同的顶部和底部导热垫的FR-4 PCB电路板的热阻
热模拟结果摘要
1. 从各种模拟中取得的结果表明，要尽可能地降低FR-4电路板的热阻，介电层的厚度应减至0.8 mm。
2. 虽然尽可能地增大过孔可以减小热阻，但电路板的制造成本也需要考虑在内。较大的未填充过孔在焊接过程中可能会部分
被填充。更佳的解决方案是采用直径更小、排列紧密的过孔。
3. 最后，由于散热阻力的原因，将过孔的数量及导热垫的宽度增加到一定值以后，改善效果会减弱。
根据这些结论，Cree在第16页中推荐了一个能够有效散热且可制造的最佳导热垫尺寸、过孔尺寸和间距。
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
13
优化PCB热性能
温度验证测量
Figure 13: Thermocouple placement
由于LED结温会影响LED的寿命，Cree建议在实际条件下对LED电路板组件进行热验证测试。5
本节介绍如何使用热电偶进行实际的LED电路板温度测量，这可以为我们提出建议所依据的模拟提供一些证据支持。
图14所示为一个K型热电偶安装在顶部铜层靠近导热垫的位置。阻焊层（如有）应当去除，以将热电偶焊接到电路板上。另外，也可以
使用导热环氧树脂或铝带来固定热电偶。如果电路板上有多颗LED，应当选择预期温度最高的那颗。另一只热电偶使用导热环氧树脂安装
在散热片背面。第三只热电偶用于测量环境（空气）温度。6热电偶的引线用Kapton®胶带固定到位。为计算散热片与环境之间的实际热
阻，要将Ths和Ta之差除以热源的功率。
Ths1
Tc
Ths2
图14：
图14: 热电偶的放置
下面的表6中包含安装在星形电路板上的五组XLamp XP-E LED灯（每组五颗LED）的数据。前四组是厚度为1.6 mm的FR-4电路板，
其中的过孔布局类似于图12和图13中底部导热垫宽度为10 mm的布局；最后一组是厚度为1.6 mm的铝包电路板。PCB电路板用导热
胶安装到散热片上。7 正向电压（Vf）和表面温度（Tc）测量值是在电流为700 mA（If）、环境温度为20 ºC（Ta）的条件下测得。可以
根据下面的等式，使用这些测量值计算出功率（P）、PCB热阻（θpcb）、表面到环境的热阻（θca）和散热片到环境的热阻（θhs-a）。
5
6
7
通常情况下，结点温度无法直接测量，必须通过在顶部铜层上的基准点处测得的温度推算得出。
至少要距离散热片和/或照明光源2 mm，且不在照明通路上。
Aavid Thermalloy部件号374424B00035G及Chomerics THERMATTACH® T411散热胶带，用于FR-4；CTS Electronics部件号BDN10-5CB/
A01，用于MCPCB
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
14
优化PCB热性能
P = If * Vf（6）
θpcb = （Tc - Ths） / P θca = （Tc – Ta） / P（8）
θpcb = （Ths – Ta） / P （7）
（9）
电路板
If
（A）
Vf
（V）
功率
（W）
Tc
（°C）
Ths
（°C）
Ta
（°C）
θpcb
（°C/W）
θca
（°C/W）
θhs-a
（°C/W）
1 oz. #1
0.700
3.31
2.32
69.64
45.73
22.0
10.32
20.57
10.25
1 oz. #2
0.700
3.26
2.28
70.29
48.03
22.0
9.75
21.16
11.40
1 oz. #3
0.700
3.21
2.24
65.37
44.02
22.0
9.51
19.33
9.81
1 oz. #4
0.700
3.22
2.25
66.34
47.65
22.0
8.30
19.69
11.39
1 oz. #5
0.700
3.25
2.28
65.77
45.15
22.0
9.06
19.23
10.17
2 oz. #1
0.700
3.32
2.32
71.69
48.19
22.0
10.12
21.41
11.28
2 oz. #2
0.700
3.34
2.34
68.60
45.34
22.0
9.96
19.95
9.99
2 oz. #3
0.700
3.26
2.28
66.95
46.33
22.0
9.04
19.71
10.67
2 oz. #4
0.700
3.34
2.34
66.36
44.37
22.0
9.39
18.95
9.56
2 oz. #5
0.700
3.35
2.35
67.57
45.19
22.0
9.54
19.43
9.89
2 oz.填充#1
0.700
3.36
2.35
67.19
44.39
22.0
9.69
19.20
9.51
2 oz.填充#2
0.700
3.33
2.33
67.48
45.11
22.0
9.59
19.51
9.92
2 oz.填充#3
0.700
3.28
2.30
68.06
44.92
22.0
10.08
20.07
9.99
2 oz.填充#4
0.700
3.29
2.30
66.70
44.86
22.0
9.50
19.44
9.94
2 oz.填充#5
0.700
3.37
2.36
70.03
47.87
22.0
9.39
20.35
10.96
4 oz. #1
0.700
3.31
2.32
64.35
45.80
22.0
7.99
18.25
10.26
4 oz. #2
0.700
3.34
2.33
68.31
48.75
22.0
8.38
19.83
11.46
4 oz. #3
0.700
3.39
2.38
71.87
50.41
22.0
9.03
20.99
11.96
4 oz. #4
0.700
3.26
2.28
66.63
47.87
22.0
8.22
19.54
11.32
4 oz. #5
0.700
3.33
2.33
68.12
48.55
22.0
8.40
19.80
11.40
MCPCB #1
0.700
3.36
2.35
63.20
53.20
20.0
4.25
18.37
14.12
MCPCB #2
0.700
3.04
2.13
57.60
50.90
20.0
3.15
17.67
14.52
MCPCB #3
0.700
3.36
2.35
57.90
50.10
20.0
3.32
16.11
12.80
MCPCB #4
0.700
3.35
2.35
62.00
51.20
20.0
4.61
17.91
13.30
MCPCB #5
0.700
3.37
2.36
60.10
51.30
20.0
3.73
17.00
13.27
平均θpcb
（°C/W）
平均θca
（°C/W）
平均θhs-a
（°C/W）
9.39
19.99
10.60
9.61
19.89
10.28
9.65
19.71
10.06
8.40
19.68
11.28
3.81
17.41
13.60
表6: PCB电路板温度测量
表6：
测量结果与图表2及图表7中的预测性能比较接近（图表2显示MCPCB约3.5 ºC/W的热阻渐近线；图7显示一个带有14个直径为0.254 mm
（2 oz）镀铜过孔、厚1.6 mm的FR-4电路板上过孔热阻约8 ºC/W）。8
8
一般而言，LED的散热测量是一项具有挑战性的工作，而且其中涉及的变量很多，也会有出错的几率。热电偶的放置和随后的计算就是其中的两个因
素。我们将这些结果作为建议值而非确定结果。
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
15
优化PCB热性能
推荐的电路板布局
Cree建议在0.635 mm的矩阵线性网格上制作面积为0.254 mm的过孔。这一选择是结合考虑成本、性能和可制造性得出的结论。根据
多家PCB电路板制造商提供的信息，配合使用2-oz.镀层解决方案时，10-mil孔和25-mil间距是合理且可重复实现的制作选择。
使用多个LED时，发射器之间的间距缩小将导致发热量增高。如有可能，可以将导热垫连接到一起并额外增加铜。
下面的章节提出了针对XT、XP、XB、MX和ML封装建议的最小焊盘尺寸。
Gerber文件
对于ML、MX、XB、XP和XT系列LED，Cree修改了单LED星形电路板的Gerber文件，将钻过孔规范纳入在内。Gerber文件是.zip文
档，发布在Cree网站上XT、XP、XB、MX和ML系列每款产品相应的产品页面的“设计文件”（Design Files）专区。9
9
访问www.cree.com/led-components-and-modules/products，选择感兴趣的LED，然后选择“文档”选项卡。
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
16
优化PCB热性能
用于XLamp XP和XT封装的FR-4电路板
虚线表示可选的10-mm散热焊盘
虚线表示可选的10-mm散热焊盘
图15：
图15: FR-4PCB电路板上XLamp XP和XT系列LED的推荐规格（顶部和底部）
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
17
优化PCB热性能
用于XLamp XB封装的FR-4电路板
XB-D FR4: Minimum Vias (5)
Copyright © 2011, Cree, Inc.
Cree Proprietary & Confidential
pg. 1
XB Back side: Minimum Vias (5)
Copyright © 2011, Cree, Inc.
Cree Proprietary & Confidential
pg. 2
图16: FR-4 PCB上XLamp XB系列LED的最小规格（顶部和底部）
图16：
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
18
优化PCB热性能
可选的11个过孔
XB Back side: Optional Vias (11)
可选的11个过孔
Copyright © 2011, Cree, Inc.
Cree Proprietary & Confidential
pg. 4
图17: FR-4 PCB上XLamp XB系列LED的推荐规格（顶部和底部）
图17：
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
19
优化PCB热性能
Application Note: CLD-AP37
5.2
AN_100302^rev1 draft5-20110404
(2).docx rev 1.4
Application
Note:
CLD-AP37 AN_100302^rev1 draft5-20110404 (2).docx rev 1.4
FR-4 boards for
XLamp MX
package
用于XLamp MX封装的FR-4电路板
5.2
FR-4 boards for XLamp MX package
23.000 类型: ASSEM 名称: MX6_FR4_OVERLAY 尺寸: C
23.000 类型: ASSEM 名称: MX6_FR4_OVERLAY 尺寸: C
Figure 15: Recommended footprint for XLamp MX package on FR-4 PCB (top and bottom)
Figure 15: Recommended
footprint for XLamp MX package on FR-4 PCB (top and bottom)
图18：
图18: FR-4 PCB上XLamp MX封装的推荐规格（顶部和底部）
2011-04-07
2011-04-07
Cree Company Confidential
Cree Company Confidential
Page 16 of 18
Page 16 of 18
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
20
Application Note: CLD-AP37
Application Note: CLD-AP37
5.3
优化PCB热性能
AN_100302^rev1 draft5-20110404 (2).docx rev 1.4
AN_100302^rev1 draft5-20110404 (2).docx rev 1.4
FR-4 boards for XLamp ML package
ML package
用于XLamp
5.3 FR-4ML封装的FR-4电路板
boards for XLamp
6
6
图19:
FR-4for
PCB上XLamp
Figure 16: Recommended图19：
footprint
XLamp MLML封装的推荐规格（顶部和底部）
package on FR-4 PCB (top and bottom)
Figure 16: Recommended footprint for XLamp ML package on FR-4 PCB (top and bottom)
Chemical compatibility
Chemical compatibility
It is important to verify chemical compatibility when selecting the interface materials to use between the
It is important
verify
chemical
compatibility
whento
selecting
theLEDs
interface
materials
to use
between
the
board
and the to
heat
sink,
as well as
other materials
which the
can be
exposed.
Certain
materials
boardFR-4
and board
the heat
sink, as well
as other materials
to which
the LEDs can
be exposed.
materials
from
fabrication
and assembly
processes,
e.g., adhesives,
solder
mask andCertain
flux residue,
can
from FR-4
fabricationwith
and the
assembly
processes,
e.g.,
adhesives,
solder at
mask
flux residue,
can
outgas
andboard
react adversely
materials
in the LED
package,
especially
highand
temperatures
when
and react
adversely
with
the materials
in the LED
especially atdegradation
high temperatures
when
aoutgas
non-vented
secondary
optic
is used.
This interaction
canpackage,
cause performance
and product
a non-vented secondary optic is used. This interaction can cause performance degradation and product
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
2011-04-07
2011-04-07
Cree Company Confidential
Cree Company Confidential
Page 17 of 18
Page 17 of 18
21
优化PCB热性能
化学相容性
在选择电路板和散热片之间所用的界面材料以及LED可能接触的其他材料时，务必验证材料的化学相容性，这一点非常重要。FR-4电路
板制造和装配过程中所用的某些材料（例如：粘胶、阻焊层、焊剂残留物）会释气并与LED封装中的材料产生有害反应，尤其是在使用密
封型二次光学元件时温度较高的情况下。这种相互作用会导致性能退化和产品故障。每个系列或单款LED产品均有相应的应用说明，其中
列明已知对Cree LED有害的物质。10请咨询您的PCB制造商，确定PCB使用了哪些材料。
参考文献
Electronics Cooling（电子设备冷却），1997年9月，第3卷，第3期，“Calculation Corner:One-dimensional heat flow”
（拐角计算：一维热流），Bruce M. Guenin博士，副主编
Electronics Cooling（电子设备冷却），1998年5月，第4卷，第2期，“Calculation Corner:Conduction heat transfer in a
printed circuit board”（拐角计算：印刷电路板中的导热传递），Bruce M. Guenin博士，副主编
Electronics Cooling（电子设备冷却），2004年8月，第10卷，第3期，“Calculation Corner:Thermal Vias – A Packaging
Engineer’s Best Friend”（拐角计算：散热过孔—封装工程师的最佳搭档），Bruce M. Guenin博士，副主编
“Thermal and High Current Multilayer Printed Circuit Boards With Thermagon T-lam and Hybrid Boards”
（采用Thermagon T-lam和混合型电路板材料制作的散热型、高电流多层印刷电路板），2001年1月31日，Thermagon, Inc.，
Courtney R. Furnival
“Thermal Considerations for QFN Packaged Integrated Circuits”（QFN封装集成电路的散热考虑），AN315 修订版本1，
2007年7月，Cirrus Logic, Inc.
10XT系列
“Cree XLamp
XP系列
“Cree XLamp
XB-D
“Cree XLamp
MX系列
“Cree XLamp
ML系列
“Cree XLamp
XT系列LED焊接和处理”，CLD-AP107，www.cree.com/xlamp_app_notes/XT_SH
XP系列LED焊接和处理”，CLD-AP25，www.cree.com/xlamp_app_notes/XP_SH
XB-D LED焊接和处理”，CLD-AP90，www.cree.com/xlamp_app_notes/XBD_SH
MX系列LED焊接和处理”，CLD-AP32，www.cree.com/xlamp_app_notes/MX_SH
ML系列LED焊接和处理”，CLD-AP50，www.cree.com/xlamp_app_notes/ML_SH
版权所有© 2010-2012 Cree，Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改，恕不另行通知。Cree®、Cree徽标和XLamp®均为Cree，Inc.的注册商标。本文件仅供参考，不是质保或规格文档。如需了解
产品规格，请参阅www.cree.com 上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
22