Leiterplattentechnik Wärmemanagement bei LEDs

Trotz verbesserter Wirkungsgrade wird auch bei Leuchtdioden noch ein großer Anteil der elektrischen Leistung in Wärme umgewandelt. Da die meisten sehr hellen LEDs für die Wärmeableitung lediglich eine vergleichsweise kleine Fläche bieten, ist ein »intelligentes«, effizientes Wärmemanagement der Leiterplatte unabdingbar. Eine spezielle Platinenkonstruktion soll hohe Ströme und Hitzeentwicklung zügig auf zulässige Partial- und Systemtemperaturen drosseln.

Ebenso wie die Leuchtdiode, die jahrzehntelang ausschließlich als Indikatorlämpchen diente, hat auch die Leiterplatte ihr Schattendasein verlassen und ist rapide zu einem multifunktionalen Element innerhalb eines elektronischen Systems avanciert.

Sie muss daher hohen Strömen trotzen und für die Entwärmung hoch getakteter, aber hitzeproduzierender Prozessoren und Wärme verströmender Leistungsbauteile sorgen.

Da immer häufiger UHB-LEDs (Ultra-High-Brightness-LEDs) mit bis zu zehn oder mehr Watt pro Gehäuse und LED-Arrays mit vielen eng nebeneinander platzierten LEDs zum Einsatz kommen, wird die Frage der Wärmeableitung immer dringlicher.

Dies gilt im Besonderen, da Leuchtdioden anders als Glühlampen nur einen verschwindend geringen Teil der Verlustwärme abstrahlen; praktisch alles geht den Weg der Wärmeleitung.

Selbstverständlich gibt es Lösungen, beispielsweise keramische Träger oder IMS-Leiterplatten (Insulated Metal Substrate) mit dicken Aluminiumkernen. Diese sind allerdings im Vergleich mit klassischen FR4-Platinen sehr teuer, außerdem ist meist eine zweite Platine nötig, um die Treiberelektronik unterzubringen (Bild 1).

FR4 mit Kupferdraht

Einen anderen Weg geht Häusermann mit »HSMtec«. Die Technik, die nach DIN EN 60068-2-14 und JEDEC A 101-A qualifiziert und für Luftfahrt und Automotive auditiert ist, geht selektiv vor: Nur dort, wo tatsächlich hohe Ströme durch die Leiterplatte fließen sollen, wird Dickkupfer - sei es als Profil oder in Drahtform - in die Leiterplatte integriert (Bild 2).

Derzeit stehen 500 µm hohe Profile mit Breiten von 2,0 mm bis 12 mm in variabler Länge zur Verfügung, bei Drähten hat sich ein Durchmesser von 500 µm etabliert. Die mit den Leiterbildern stoffschlüssig verbundenen massiven Kupferelemente lassen sich mittels Ultraschallverbindungstechnik direkt auf das Basiskupfer auftragen und mit FR4-Basismaterial in jede beliebige Lage eines Multilayers integrieren. Dass dabei Kupfer zum Einsatz kommt, hat mehrere Gründe: Es weist im Vergleich zu Aluminium die doppelte Wärmeleitfähigkeit auf (Tabelle 1) und sorgt somit für eine schnelle Wärmeableitung ohne isolierende Zwischenschichten unterhalb des Heatpads der LED.

Material
Wärmeleitfähigkeit λ [W/mk]
Kupfer RA
300
Aluminiumlegierung
150
Lot
51
Keramik (LED)
24
FR4
0,25
Luft (ruhend)
0,026
Tabelle 1: Wärmeleitfähigkeit der beteiligten Materialien

Ein weiterer Vorteil von Kupfer und dem Leiterplattenbasis-material FR4 sind die Wärmeausdehnungseigenschaften (Tabelle 2): Speziell in Verbindung mit keramischen LEDs weisen Leiterplatten auf Kupfer- beziehungsweise FR4-Basis eine hohe Beständigkeit gegen thermische Beanspruchungen auf, die auf Umgebungs- oder Betriebsbedingungen und weitere Temperaturzyklen, wie etwa für »intelligente« Beleuchtungssteuerungen, zurückzuführen sind.

Material
Ausdehungskoeffizient [ppm/K]
Aluminium
24
Lot
ca. 22
Kupfer
16
FR4
13 - 17
Al2O3 (LED)
7
AlN (LED)
4
Tabelle 2: Wärmeausdehnungskoeffizient in X/Y-Richtung

Auf diese Weise lässt sich die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der gesamten Beleuchtungseinheit im Vergleich zu üblichen Metallkern-Leiterplatten auf Aluminiumbasis deutlich erhöhen.

Leiterplatten managen Wärme

Ein Blick auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit zeigt die Bedeutung des durchgängig metallischen Pfades von der Quelle bis zur Senke und das Leistungspotenzial von HSMtec. Kupfer leitet Wärme 1000-fach besser als FR4. Durch die Kombination von integrierten Kupferprofilen mit modernen Leiterplattenkonstrukten wie Micro- und Thermovias lässt sich eine Lötfläche (Bauteile, Kühlkörper) an die Profile direkt metallisch ankontaktieren, wodurch sich Engpässe im thermischen Pfad vermeiden lassen.

Ein wärmetechnisch optimierter Lagenaufbau sorgt zusätzlich für rasche Wärmespreizung und unterstützt somit das gesamte thermische Konzept. Im Fall von sehr kleinen LED-Gehäusen sorgen gefüllte Microvias für eine direkte metallische Verbindung zu wärmeleitenden Kupferelementen, deren Anbringung circa 60 μm unterhalb der Deckschicht der Leiterplatte möglich ist.

Im Vergleich zu Thermovias, die beispielsweise direkt unter Heatpads gesetzt werden, ist das Löten gefüllter Microvias problemlos möglich (Bild 3). Anhand diverser empirischer Untersuchungen konnte Häusermann allerlei Erkenntnisse in den Bereichen thermisches Management und Hochstrom auf der Leiterplatte gewinnen. Der Hauptvorteil von HSMtec gegenüber Alternativlösungen ist der Einsatz von kostengünstigem Standard-FR4-Material nebst der Fertigung im Standard-Herstellungsprozess. Darüber hinaus ist es möglich, mit diesem Verfahren selbsttragende mehrdimensionale Leiterplatten zu konstruieren.

Mit Hilfe von Kerbfräsungen an den Sollbiegestellen lassen sich einzelne Segmente durch beliebige Einstellung des Neigungswinkels in die gewünschte Ausrichtung bringen. Das mit Profilen und Drähten integrierte Dickkupfer stemmt Ströme von bis zu 500 A. Dies stellt eine sinnvolle Alternative zu Platinenlösungen dar, die vollflächige bis zu 500 µm dicke Kupferlagen vorsehen, oder zu kostenintensiven IMS-Lösungen, die anstelle des üblichen Basismaterials massive Aluminiumkerne als Wärmeträger einsetzen.

Die ursprünglich für Hochstromanwendungen entwickelte Wärmemanagement-Technik kann die Anforderung nach verbessertem thermischem Management mit Energieeffizienz sowie mechanischer und photometrischer Flexibilität in einer Platine vereinen.

Das Verbundprojekt »LEDagon«

Mit der Entwicklung des gemeinsamen Vorzeigeprojektes »LEDagon« (Bild 4) ist es den Unternehmen Arrow Electronics, Cree, Häusermann und Kathrein-Austria gelungen, verschiedene Technologien mit Wärmemanagement-Lösungen, Sensoren und anderen Elektronikkomponenten unkompliziert zu verschmelzen.

LEDagon nutzt eine »intelligente« Elektroniksteuerung und »XLamp«-LEDs von Cree mit unterschiedlicher Lichtleistung. Mit dieser Kombination kann das System neue Anwendungsbereiche für die Beleuchtung mit LEDs aufzeigen.

Über die sensorbasierte Steuerung lassen sich Parameter wie Position, Ausrichtung, Helligkeit und Temperatur kontrollieren. Das Gehäuse ist für die Einstellung verschiedener Betriebsmodi mit zahlreichen Tasten und Slidern ausgestattet. Eine Siebensegment-Anzeige zeigt den aktuellen Betriebsmodus an.

Zudem lassen sich Software-Updates über eine Mini-USB-2.0-Schnittstelle aufspielen. Um das System fernzusteuern, Ergebnisse auszuwerten oder Firmware-Updates vorzunehmen, ist eine Windows-Host-Anwendung integriert. Die Energieversorgung stellt eine Standard-DC-Stromversorgung sicher.

Um die Abwärme der oben angebrachten High-Power-LED »XM-L« von Cree mit bis zu 10 W und den drei Medium-Power-LEDs »XT.E« mit jeweils bis zu 3 W rasch an den auf der Platinenunterseite angebrachten Standardkühlkörper abzuleiten, kommen zwei 12 mm breite und 500 µm hohe Kupferprofile mit einer Länge von insgesamt 155 mm zum Einsatz (Bild 5).

Diese wurden direkt unter den LEDs mittels Ul-traschallverbindungstechnik in den vierlagigen FR4-Multilayer integriert. Da HSMtec selbsttragende mehrdimensionale Konstruktionen ermöglicht, lassen sich die einzelnen Leiterplattensegmente individuell in die gewünschte Einbaulage und Ausrichtung bringen. Dadurch ist ein durchgehender metallischer, thermischer Pfad vom Hotspot der seitlich angeordneten LEDs bis zur zentralen Wärmesenke auch über die Biegung hinweg gewährleistet.

Über Thermo-Blindvias und mit Kupfer verfüllte Microvias mit einem Durchmesser von 125 µm lassen sich LEDs an die massiven Kupferprofile direkt anbinden, um einen möglichst geringen thermischen Widerstand der Leiterplatte zu garantieren (Bild 6).

Die einzelnen zu einem Oktagon geformten Leiterplattensegmente sorgen für photometrische Flexibilität und interessante optische Lösungen. Diese Designfreiheit erlaubt es, jedes einzelne LED-Segment durch beliebige Einstellung des Neigungswinkels individuell auszurichten.

Das Besondere an HSMtec bei mehrdimensionalen Anwendungen ist zudem, dass sich auf Grund der großen Kupferquerschnitte auch große Wärmemengen und/oder hohe Ströme über den Biegebereich abführen lassen. Andere Lösungen erreichen hier rasch ihre Grenzen. Schmale Luftschlitze an den Seiten lassen die Luft zirkulieren und gewährleisten somit einen lüfterlosen Betrieb des LEDagon-Demonstrators.

Zur besseren Stabilität und Arretierung der Platinensegmente an die Bodenplatine kommen Leiterplatten-Stiftverbindungen zum Einsatz, die während des Lötprozesses aufgeschmolzen werden (Bild 7).

LEDagon demonstriert anschaulich, dass sich mit HSMtec sowohl die LED als auch die benötigte Ansteuerungselektronik auf ein und derselben Leiterplatte unterbringen lassen, und dies bei optimaler thermischer Entkopplung: Insgesamt 42 integrierte Drahtverbindungen mit einem Durchmesser von 500 µm erlauben die Verbindung der einzelnen mehrdimensionalen Platinensegmente zur »intelligenten« Steuerung der einzelnen LEDs.

Durch die Konstruktion lassen sich große Wärmemengen und/oder hohe Ströme von bis zu 500 A direkt innerhalb der Leiterplatte führen. Überdies kommt die gesamte Architektur ohne Kabel-, Steck- oder sonstige mechanische Verbindungen aus. Das erhöht nicht nur die Zuverlässigkeit der Anwendung sondern auch deren Lebensdauer. Um kreative Lichtgestaltung mit Power-LEDs erfolgreich umzusetzen, ist allerdings eine enge Kooperation von Kunde und Platinenhersteller unabdingbar: Bereits in der Konzeptphase muss gemeinsam das gesamte thermische Design - von der Leiterplatte bis zum Leuchtengehäuse - optimal abgestimmt werden. Unterschiedliche Prototypenvarianten und thermische Analysen erlauben individuelle Lösungen.

Über den Autor:

Stefan Hörth ist Product Manager HSMtec bei Häusermann.