LED-Systeme Integrierte Gesamtlösungen für das Thermomanagement

Power-LED-Lösungen erfordern mehr als das Herstellen von Aluminiumleiterplatten aus zugekauftem Basismaterial. Hier sind die Kenntnisse über ein individuelles Wärmemanagement in der Entwicklung des kompletten Systems notwendig, um für den Kunden eine kostengünstige und technisch perfekte Lösung zu entwickeln.

 

Den LEDs wird für die Zukunft eine starkes Wachstum prognostiziert. Durch das gesetzliche Verbot von Glühlampen rechnet man in den nächsten zehn Jahren mit einem Anteil von 70 % aller Beleuchtungen, die mit LEDs ausgestattet werden. Die größten Bedarfsträger für LEDs sind Fernseher mit LC-Display, Displays für „Digital Signage“ und ­Mobilgeräte. Von den Segmenten Automotive und Beleuchtung geht die größte Nachfrage nach High-Power LEDs aus.
Durch die ständigen Verbesserungen der Leistungsdaten der LEDs werden insbesondere die klassischen Leuchtmittel mehr und mehr verdrängt. In der Folge verändern sich auch die Anforderungen an die Schaltungsträger, auf denen die High-Power LEDs montiert und verschaltet werden. Wegen der hohen Wärmeentwicklung werden für die Entwärmung IMS-Leiterplatten (Insulated Metal Substrate) verwendet, in der Regel auf Aluminium-Basis. Die speziellen Anforderungen der LEDs geben hier den Anstoß für neue Entwicklungen.
Konfrontiert mit neuem Material, stehen die Leiterplattenhersteller vor technischen und physikalischen Herausforderungen. Die Metallbearbeitung erfordert nicht nur einen anderen Maschinenpark, sondern auch umfassendes Know-how. Besonders die parallele Fertigung von FR4- und IMS-Leiterplatten birgt Risiken und führt zu erhöhten Problemen beim Herstellungsprozess. Die derzeit eingeführten Verfahren bauen in der Regel auf fertigen Substraten auf und ermöglichen einfache Schaltungen mit einer oder mehreren Lagen. Individuelle Anforderungen an Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolation können dabei nur begrenzt berücksichtigt werden. Eine kundenspezifische Gestaltung der IMS-Leiterplatte umgeht diese Einschränkungen.
Die IMS-Leiterplatte der Zukunft ist nicht auf zwei Dimensionen beschränkt: Eine dreidimensionale Anordnung umgeht die produktbedingt ungünstige Lichtverteilung der LED. Der Leiterplattenhersteller der Zukunft bietet nicht mehr nur eine Leiterplatte. Er ist Systemanbieter, der die technische Weiterentwicklung forciert, berät und Zusatzmodule anbietet.

 

 

Wärmemanagement bei LED

Wenn man von LEDs spricht, muss man eine generelle Unterscheidung vornehmen. Power LEDs mit einer Leistung ab ca. 1 Watt benötigen ein Wärmemanagement. Der Grund liegt in der Wirkungsweise der LED. Eine LED erzeugt praktisch kein UV- oder IR-Licht. Das ausgesendete Licht ist kalt. Die LED erwärmt sich durch den Licht­entstehungsprozess. Es gilt die einfache Formel „je kühler, desto höher die Lebensdauer, desto heller die LED“. Die erzeugte Wärme wird von drei Faktoren geprägt: Umgebungstemperatur, Stromstärke und Wärmemanagement. Der Faktor Wärmemanagement wiederum kann durch drei wesentliche Faktoren beeinflusst werden: Layout, Dielektrikum und Lötverbindung (Bild 1).

 

Eine thermische Simulation ermöglicht die Visualisierung des Wärmeflusses in der Leiterplatte. Die Kombination der Materialien und die spezifischen Wärmeleiteigenschaften werden so sichtbar (Bild 2). Die Simulation ersetzt jedoch nicht die tatsächliche Messung der Temperaturen im Betrieb. Wichtig ist das Temperaturverhalten für jede einzelne LED.
Häufig werden für die Wärmeableitung mechanische Verbindungen von FR4 und Aluminiumträgern verwendet. Diese Art der Verbindung ist die denkbar schlechteste für ein optimales Wärmemanagement. Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten erzeugen einen Luftspalt und eine undefinierte, ständig wechselnde thermische Isolation (Bild 3).

 

Ein Leiterplatten-Baukastensystem

Ausgangspunkt des neuen Leiterplattensystems Felam Thermoline ist ein Baukastensystem für maßgeschneiderte Lösungen. Hier wird für jede Kundenanwendung das Material zusammengestellt, um ein optimales Wärmemanagement zu erreichen:

  • zwei Kernmaterialien aus Aluminium mit unterschiedlichen Legierungen,
  • fünf Dielektrika mit unterschied­lichen Dicken, Wärmeleitwerten und Durchschlagsfestigkeiten,
  • fünf Kupferkaschierungen mit Dicken bis 210 μm,
  • zehn verschiedene Aufbauvarianten mit bis zu sechs Lagen. 

 

 

Bei der Kombination der einzelnen Materialien gilt ein einfaches „Reinheitsgebot“: Kupfer, Dielektrikum und Aluminium. Bestandteile wie FR4, CEM1, Kapton, Polyimid, Klebefolien, Wärmeleitpasten, Nieten oder Verschraubungen sind keine Materialien, die zu einem optimalen Wärmemanagement führen.
Das klassische Dielektrikum besteht in der Regel aus gefüllten Epoxy-Systemen. Durch entsprechende Füllstoffe wie Aluminiumoxide oder andere keramische Stoffe können gute Wärmeleiteigenschaften erreicht werden. Diese Stoffe verschlechtern die elektrische Isolation und die Schichtdicke muss verstärkt werden. Das ist natürlich kontraproduktiv und führt zu erhöhten Kosten der Leiterplatte.
Das Dielektrikum Felam Thermoconduct verwendet keine Epoxy-Harze. Durch die Kombination mit klassischem Dielektrikum sind neue Kombinationen möglich, die ein optimales Wärmemanagement ermöglichen (Bild 4).

 

Lichtverteilung und Strahlungswinkel

LEDs strahlen direkt und punktuell. Für vertikale Beleuchtungen und optimale Lichtverteilungen müssen spezielle Lösungen entwickelt werden. Diese Lösung ist aufwendig in der Montage und beim Service, verstößt gegen das Reinheitsgebot und ist wirtschaftlich nicht interessant. Bei dem FELAM-Q-Flex-Verfahren wird die Lichtverteilung über gebogene Metallkernleiterplatten erreicht. Schwachstellen wie Kabel und Einzelleiterplatten entfallen (Bild 5).