LED PCB Thermal Management: 10 เทคนิคระบายความร้อนสำหรับไฟ LED

บทนำ: ทำไมการจัดการความร้อน LED จึงสำคัญ?

LED (Light Emitting Diode) มีประสิทธิภาพสูง แต่ก็ยังสร้างความร้อนจำนวนมาก โดยทั่วไป:

• 70-85% ของพลังงานไฟฟ้าที่ใส่เข้าไปถูกแปลงเป็นความร้อน
• 15-30% ถูกแปลงเป็นแสง

ความร้อนสะสมส่งผลร้ายต่อ LED:

> คำแนะนำจากผู้เชี่ยวชาญ: "ผมเห็นโครงการ LED จำนวนมากที่ล้มเหลวเพราะประเมินความร้อนต่ำเกินไป การออกแบบ thermal management ที่ดีตั้งแต่ต้นสำคัญกว่าการแก้ไขทีหลัง" — Hommer Zhao, ผู้เชี่ยวชาญด้านการผลิต PCB

---

ทำความเข้าใจ Thermal Path ของ LED

การไหลของความร้อนจาก LED สู่สภาพแวดล้อม

```

LED Junction (Tj)

↓ Rth(j-c)

LED Case/Slug

↓ Rth(c-b) + Solder/TIM

PCB Surface

↓ Rth(b-s) + PCB Material

PCB Back / Heat Sink

↓ Rth(s-a)

Ambient Air (Ta)

```

Thermal Resistance ในแต่ละส่วน

สูตรคำนวณ Junction Temperature

```

Tj = Ta + (P × Rth_total)

โดยที่:

Tj = Junction temperature (°C)

Ta = Ambient temperature (°C)

P = Power dissipation (W)

Rth_total = Total thermal resistance (°C/W)

```

ตัวอย่าง:

```

LED 5W, Rth_total = 15°C/W, Ta = 25°C

Tj = 25 + (5 × 15) = 100°C

ถ้า Maximum Tj = 125°C → มี margin 25°C ✅

```

---

10 เทคนิคการจัดการความร้อน LED PCB

1. เลือกวัสดุ PCB ที่เหมาะสม

การเลือก:

```

Power Density < 0.3 W/cm² → FR4 ได้

Power Density 0.3-1.0 W/cm² → Aluminum PCB

Power Density > 1.0 W/cm² → Aluminum หรือ Copper Core

```

ดู เปรียบเทียบ Aluminum PCB vs FR4

---

2. ใช้ Thermal Vias อย่างมีประสิทธิภาพ

Thermal Vias คือรูเจาะชุบทองแดงที่ช่วยถ่ายเทความร้อนจากชั้นบนลงล่าง

Design Guidelines:

ประสิทธิภาพ:

---

3. Optimize Copper Pour

Copper Spreading ช่วยกระจายความร้อนก่อนถ่ายเทลงล่าง:

คำนวณ Copper Spreading:

```

r_spread = √(k × t × r_source / h)

โดยที่:

k = Copper conductivity (385 W/m·K)

t = Copper thickness

r_source = LED source radius

h = Heat transfer coefficient

```

---

4. เลือก Dielectric Material ที่ถูกต้อง

สำหรับ Aluminum PCB ค่า Thermal Conductivity ของ dielectric สำคัญมาก:

เลือกอย่างไร:

```

LED <3W: Standard (1.0 W/m·K)

LED 3-5W: Medium (1.5-2.0 W/m·K)

LED 5-10W: High Performance (2.0-3.0 W/m·K)

LED >10W: Premium หรือ Copper Core

```

---

5. การวาง LED อย่างเหมาะสม

การกระจาย LEDs:

```

Bad: [LED][LED][LED][LED] ← ร้อนกลาง

Good: [LED] [LED] [LED] [LED] ← กระจายสม่ำเสมอ

```

---

6. Heat Sink Integration

Heat Sink Selection:

```

Required Rth(s-a) = (Tj_max - Ta - Rth_other × P) / P

ตัวอย่าง:

Tj_max = 100°C

Ta = 45°C

P = 10W

Rth_other = 3°C/W

Required Rth(s-a) = (100 - 45 - 3×10) / 10 = 2.5°C/W

```

---

7. Solder Mask Considerations

White Solder Mask สำหรับ LED:

• เพิ่มการสะท้อนแสง 5-10%
• ใช้สำหรับ visible light LEDs
• ทนความร้อนต่ำกว่า green mask เล็กน้อย

---

8. Thermal Interface Material (TIM)

TIM Thickness:

```

Thinner = Better thermal performance

ปกติใช้ 25-100 μm

Rth_TIM = thickness / (k × Area)

```

---

9. Active Cooling Options

เมื่อ passive cooling ไม่เพียงพอ:

---

10. Thermal Simulation และ Validation

ขั้นตอนการ validate:

1. Thermal Simulation

- ใช้ software เช่น ANSYS, FloTHERM

- ตรวจสอบ hot spots

1. Prototype Testing

- วัด junction temperature จริง

- ใช้ IR camera หรือ thermocouple

1. Life Testing

- HTOL (High Temperature Operating Life)

- ตรวจสอบ lumen maintenance

> คำแนะนำจากผู้เชี่ยวชาญ: "อย่าเชื่อ simulation 100% ต้อง validate ด้วย prototype จริงเสมอ สภาพแวดล้อมจริงมีตัวแปรที่ simulation ไม่ครอบคลุม" — Hommer Zhao

---

Case Study: Automotive LED Headlight

Requirements:

Design Solution:

PCB Selection: Aluminum 1.5mm, 2.0 W/m·K dielectric

Thermal Path:

```

Rth(j-c): 2.5°C/W (LED spec)

Rth(c-b): 0.5°C/W (solder)

Rth(b-s): 0.8°C/W (aluminum PCB)

Rth(s-a): 0.8°C/W (custom heat sink)

Total: 4.6°C/W per LED

```

Temperature Calculation:

```

Tj = 85 + (10W × 4.6°C/W) = 131°C ❌ Over limit!

Solution: Improve heat sink

New Rth(s-a): 0.4°C/W

New Tj = 85 + (10W × 4.2°C/W) = 127°C → Still marginal

Additional: Use higher grade dielectric (3.0 W/m·K)

New Rth(b-s): 0.5°C/W

Final Tj = 85 + (10W × 3.9°C/W) = 124°C ✅

```

---

LED PCB Design Checklist

Material Selection:

• [ ] เลือกวัสดุตาม power density
• [ ] กำหนด dielectric thermal conductivity
• [ ] พิจารณา copper thickness

Layout:

• [ ] Thermal vias array ใต้ thermal pad
• [ ] Copper pour กว้างเพียงพอ
• [ ] LED spacing เหมาะสม
• [ ] ไม่มี solder mask บน thermal pad

Heat Sink:

• [ ] คำนวณ required Rth(s-a)
• [ ] เลือก TIM ที่เหมาะสม
• [ ] พิจารณา mounting method

Validation:

• [ ] Run thermal simulation
• [ ] Prototype temperature measurement
• [ ] Life testing

---

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

Q1: ใช้ FR4 กับ LED ได้หรือไม่?

A: ได้สำหรับ LED กำลังต่ำ (<1W) โดย:

• ใช้ thermal vias จำนวนมาก
• Copper pour 2 oz ขึ้นไป
• พิจารณา heat sink ภายนอก

Q2: Aluminum PCB vs FR4 + Heat Sink อะไรดีกว่า?

A: ขึ้นกับ volume และ cost:

• Low volume: FR4 + Heat Sink อาจถูกกว่า
• High volume: Aluminum PCB คุ้มกว่า (ไม่มี assembly cost)
• Performance: Aluminum ดีกว่าเล็กน้อย

ดู เปรียบเทียบ Aluminum PCB vs FR4

Q3: ทำไม LED ถึงต้องใช้ white solder mask?

A: White solder mask:

• สะท้อนแสงได้ดี (92%+ reflectivity)
• เพิ่ม optical efficiency
• ใช้เฉพาะ visible light LEDs

Q4: สามารถ reflow solder Aluminum PCB ได้หรือไม่?

A: ได้ แต่ต้อง:

• ปรับ reflow profile (preheat สูงขึ้น)
• ใช้เวลา soak นานขึ้น
• ระวังเรื่อง thermal shock

ดู บริการประกอบ SMT

Q5: Thermal vias ต้องใช้กี่ตัว?

A: ขึ้นกับ:

• LED power level
• PCB material
• Target thermal resistance

กฎทั่วไป: เริ่มจาก 16 vias (4×4) แล้วเพิ่มถ้าจำเป็น

---

สรุป

การจัดการความร้อน LED PCB ต้องพิจารณา:

1. เลือกวัสดุที่เหมาะสม - Aluminum PCB สำหรับ high power
2. ออกแบบ thermal path ที่ดี - Thermal vias, copper pour
3. Heat sink integration - เลือก TIM และ mount method
4. Validate ด้วย measurement จริง - อย่าพึ่ง simulation เพียงอย่างเดียว

> สรุปจากผู้เชี่ยวชาญ: "การลงทุนกับ thermal design ที่ดีตั้งแต่ต้นคุ้มค่ากว่าการแก้ปัญหาทีหลังเสมอ LED ที่ร้อนเกินจะเสียหายเร็วและสูญเสียความสว่าง ส่งผลต่อ warranty claims และชื่อเสียงผลิตภัณฑ์" — Hommer Zhao

---

บริการของเรา

PCB Thailand ให้บริการ LED PCB ครบวงจร:

• Aluminum PCB - Standard ถึง Premium grade
• Thermal Design Support - ช่วยคำนวณและเลือกวัสดุ
• SMT Assembly - รองรับ Aluminum PCB
• DFM Review - ตรวจสอบก่อนผลิต

ขอใบเสนอราคา สำหรับโครงการ LED ของคุณวันนี้

---

บทความที่เกี่ยวข้อง

• Aluminum PCB vs FR4: เปรียบเทียบฉบับสมบูรณ์
• Heavy Copper PCB สำหรับงานกำลังสูง
• PCB Surface Finish: เลือกอย่างไร
• DFM Checklist

---

เอกสารอ้างอิง

1. IPC-4101 Base Material Specifications: www.ipc.org
2. JEDEC JESD51 Thermal Measurement Standards: www.jedec.org
3. Cree LED Thermal Management Guide: www.cree.com
4. OSRAM LED Thermal Design Guide: www.osram.com
5. Energy Star LED Lighting Requirements: www.energystar.gov