CeraPad von TDK Tragender ESD-Schutz

Die Leiterplatte ist längst nicht mehr nur Trägermaterial und Umverdrahtungsebene für Bauelemente. Immer mehr Funktionen werden direkt in die Leiterplatte eingebettet. So dient ein neues keramisches Trägersubstrat für LEDs gleichzeitig als ESD-Schutz.

LEDs sind in der Beleuchtungstechnik für Gebäude und im Außenbereich mittlerweile Stand der Technik. Darüber hinaus sind sie in Smartphones für Blitzlicht- und Taschenlampenfunktionen gang und gäbe. Zunehmend basieren auch Scheinwerfer und Beleuchtungssysteme für Fahrzeuge aller Art auf dieser Lichttechnik.

Doch trotz ihrer großen Vorteile wie hoher Energieeffizienz und Langlebigkeit haben LEDs einen entscheidenden Nachteil: Wie alle Halbleiter sind sie sehr empfindlich gegenüber elektrostatischer Entladung (Electrostatic Discharge, ESD). Daher sind bei bisherigen Lösungen in Abhängigkeit von Serien- und Parallelschaltung der einzelnen LEDs entsprechende diskrete Schutzbauelemente nötig. Dafür eignen sich etwa TVS-Dioden (Transient Voltage Suppressor) oder Vielschichtvaristoren aus der Epcos-CeraDiode-Serie von TDK. Die CeraDioden weisen kein temperaturabhängiges Derating auf und werden auf die Leiterplatte gelötet, statt aufwendig per Wirebonding montiert zu werden.

Bild 1 zeigt eine konventionelle Lösung zum ESD-Schutz von LEDs. Deutlich zu sehen ist, dass der diskrete Ansatz die Leiterplattenfläche für das eigentliche Leuchtmittel ziemlich schlecht ausnutzt. Zudem behindert das Schutzbauelement die optimale Ausbreitung des Lichts und verschlechtert damit die Effizienz der LED.

Bessere Flächenausnutzung

Um diese Problematik zu lösen, hat TDK mit CeraPad einen völlig neuen Ansatz gewählt, bei dem das Unternehmen seine Erfahrung in der Entwicklung von miniaturisierten Vielschicht-ESD-Schutzbauelementen und LTCC-Substraten kombiniert hat: CeraPad ist ein 300 µm bis 400 µm dünnes Keramiksubstrat mit integriertem ESD-Schutz (Bild 2). Auf zusätzliche diskrete ESD-Bauelemente kann man damit ganz verzichten, womit sich die Montagedichte der LEDs massiv erhöhen lässt. Dies hilft auch Kosten zu sparen, weil die Fläche des Substrats besser ausgenutzt wird. Außerdem steigt die Zuverlässigkeit durch den Wegfall von TVS-Dioden und Bonddrähten sowie den damit verbundenen kostenintensiven Bestückungs- und Prozessschritten.

Dieser funktionale keramische Wafer bietet ESD-Festigkeit von bis zu 30 kV, Zenerdioden lediglich 8 kV. Darüber hinaus lassen sich damit kundenspezifische Chip-Scale-Packages (CSP) für LED-Standardelemente in den Bauformen CSP0707 bis CSP1515 mit einer wesentlich höheren Packungsdichte realisieren (Bild 3).

Mit 6 ppm/K ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des CeraPad außerdem nahezu identisch mit dem von siliziumbasierten LEDs. Dadurch entstehen bei einem Temperaturwechsel keine kritischen mechanischen Spannungen zwischen Substrat und LED. Darüber hinaus zeichnet sich das Keramiksubstrat durch eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 22 W/(m·K) aus, die sich durch thermische Silber-Vias noch weiter steigern lässt. Ein weiterer Vorteil ist die Biegefestigkeit von 250 MPa bei einer Substratstärke von 300 µm bis 400 µm.

Die Terminierungen des CeraPad können je nach Kundenanforderung sowohl für SAC-Standard-Reflow-Lötprozesse (SAC: Sn/Ag/Cu, +260 °C) als auch für eutektisches Bonden (AuSn, +320 °C) ausgelegt werden. 

Anwendungsbeispiel adaptives Fahrlicht 

Das CeraPad eignet sich nicht nur als Trägersubstrat für LED-Dies mit integriertem ESD-Schutz, sondern eignet sich – ähnlich wie eine konventionelle Leiterplatte – gleichzeitig auch als Umverdrahtungsebene. Bis zu zehn solcher Umverdrahtungsebenen lassen sich so realisieren – und das ohne Einbußen bei der thermischen Performance hinnehmen zu müssen. Zum Vergleich: Mit konventionellen IMS (Isolated Metal Substrate) sind nur fünf Umverdrahtungsebenen sinnvoll realisierbar, wobei mit jeder zusätzlichen Ebene die thermische Leitfähigkeit sukzessive abnimmt. Somit ist es möglich, auf dem CeraPad-Substrat bis zu 1000 dicht gepackte LEDs zu platzieren, die nach individuellem Kundenwunsch einzeln ansteuerbar sind (siehe Titelbild). 

Entwickler können mit dieser Technologie neuartige hochauflösende Lichteffekte auf engstem Raum realisieren, wie beispielsweise in Multi-LED-Blitzlichtern von Smartphones, Kfz-Innenbeleuchtungssystemen und in adaptiven Frontscheinwerfern zur Verbesserung der Insassensicherheit.