高出力LEDの基板選定：熱、絶縁、コストのバランスをどう取るか？

高出力LEDにおいて、基板選定は本質的に接合部温度の管理であり、信頼性の高い電気絶縁と許容可能なコストを維持することが求められます。照明ソリューション、民生用電子機器、屋外用通信ハードウェアなどの用途では、基板は熱を効率的に放散し、高電圧回路を絶縁し、かつ大量生産が可能でなければなりません。ニューウェイでは通常、アルミニウムIMS、銅ベース、セラミック基板を適切なプロセスやコーティングと組み合わせて評価し、最適なバランスを実現します。

まず熱的・絶縁目標を定義する

出発点は、接合部温度、電力密度（W/cm²）、およびLEDパッドと金属ベースまたは放熱板との間に必要な絶縁耐力です。主流の照明器具やバックライトでは、アルミニウムベースのIMSで十分なことが多いです。高密度実装のCOBモジュールや過酷な屋外用照明、5G無線環境では、セラミックや銅ソリューションの使用を検討します。絶縁破壊電圧要件と沿面距離が、絶縁体の厚さと材料の選択を決定し、それが熱抵抗とコストに影響を与えます。

アルミニウムIMS基板：バランスの取れた性能とコスト

アルミニウムIMS（絶縁金属基板）は、適正なコストで良好な熱伝導性を提供するため、最も一般的な高出力LEDのベースです。アルミニウムベースは、アルミダイカスト、板金加工、またはCNC加工プロトタイピングを介して加工することで、成形したり放熱器と一体化したりできます。陽極酸化などの表面処理は耐食性を高め、良好な放熱性を維持しながら絶縁システムの一部を形成することができます。ほとんどの屋内照明器具や汎用照明器具では、アルミニウムIMSは熱性能、電気絶縁、BOMコストの間で最良のバランスを提供します。

極端な熱流束に対する銅ベース基板

LEDアレイが非常に高い電力密度で動作する場合、銅基板または銅コアハイブリッドが検討されます。銅はアルミニウムよりも熱伝導率が高く、高密度COBやレーザーダイオードアレイの下での放熱性を向上させます。銅ベースや冷却プレートは、銅合金精密鋳造または接合構造によって実現できます。腐食から保護し、表面特性を調整するために、高温用熱コーティングシステムが適用される場合があります。トレードオフは、原材料コストと重量の増加であり、そのため銅は通常、高級スポットライト、自動車用ヘッドランプ、またはコンパクトな高ルーメンモジュールに限定されます。

絶縁性と信頼性のためのセラミック基板

プロトタイピングとコスト最適化

基板のコンセプトを確定する前に、プロトタイプで熱的・電気的な検証を行います。LED基板と放熱板は、筐体には3Dプリンティングプロトタイピングを、金属ベースにはCNC加工を使用して試作し、アルミニウムIMS、銅コア、セラミックオプション間の迅速な比較を可能にします。製造性を考慮した設計レビューにより、選択した基板が、光学部品やカバー用のプラスチック射出成形などの下流工程と互換性があること、および完全なシステムが最低のライフサイクルコストで性能目標を満たすことを確認します。