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Thermisches Management: Hitzebeständige Leiterplatten für High-Power-LEDs

Noch nie wurden an die Leiterplatte so hohe Anforderungen gestellt wie heute: Enge Platzverhältnisse gepaart mit komplexer Ansteuerungstechnik und heißlaufenden LEDs stellen Entwickler vor großen Herausforderungen. Und so rückt die Zuverlässigkeit der Leiterplatte immer mehr in den Vordergrund.

Hitzebeständige Leiterplatte HSMtec Bildquelle: © Häußermann

Mit HSMtec gibt es eine effiziente Wärmemanagement-Lösung, die massive Kupferelemente selektiv in Standard-FR4-Leiterplatten integriert und damit die Hitzeentwicklung zügig auf zulässige Partial- und Systemtemperaturen drosselt.

Maßgeblich für die Akzeptanz von LEDs als Leuchtmittel ist die Lichtqualität. Ihre Brillanz und Leuchtkraft beflügeln die Fantasie von Lichtdesignern. Jedoch sind die Anforderungen an Homogenität und Farbtemperatur hoch, denn das menschliche Auge nimmt bereits die Abweichung von einigen Kelvin als Farbunterschied wahr. Neben einer klugen Ansteuerungstechnik ist auch ein effizientes Wärmemanagement nötig, um das brillante Leuchten dauerhaft zu erhalten. Trotz verbesserter Wirkungsgrade wird bei LEDs noch immer ein Großteil der elektrischen Leistung in Wärme umgewandelt.

Das umso mehr, als sich heute immer mehr Arrays mit vielen eng nebeneinander platzierten Leuchtdioden durchsetzen. Zudem kommen vermehrt UHB-LEDs (Ultra High Brightness) mit bis zu zehn oder mehr Watt pro Gehäuse zum Einsatz. Da die meisten UHB-LEDs für die Wärmeableitung lediglich eine vergleichsweise kleine Fläche von oft nur wenigen mm² bieten, ist eine schnelle Wärmeableitung direkt unterhalb der LED ebenso wie ein möglichst geringer thermischer Widerstand der Leiterplatte von großer Bedeutung.

Um also eine Lichttrübung der LEDs zu vermeiden, sind konstruktive Maßnahmen auf Leiterplattenebene angesagt, die dabei helfen, die Wärmeableitung zu optimieren, um so die LEDs im optimalen Bereich zu betreiben und Ausfällen oder Veränderungen entgegen zu wirken. Allerdings ist es nötig, die Menge der abzuführenden Wärme, den verfügbaren Platz, die Abmessungen und die Kontaktierungsart der Bauelemente sowie die Komplexität der Schaltung entsprechend zu berücksichtigen. Erste Wahl beim Thema Wärmemanagement sind oftmals etablierte Leiterplattenverfahren wie Insulated Metal Substrate (IMS) auf Aluminiumbasis.

Jedoch gibt es mit HSMtec eine effiziente Wärmemanagement-Lösung die massive Kupferelemente selektiv in Standard-FR4-Leiterplatten integriert und damit die Hitzeentwicklung zügig auf zulässige Partial- und Systemtemperaturen drosselt. Nur dort, wo tatsächlich Wärme oder auch hohe Ströme durch die Leiterplatte fließen sollen, wird das massive Kupfer – sei es als Profil oder in Drahtform – in die Leiterplatte integriert. Derzeit stehen 500 µm hohe Profile mit Breiten von 2,0 mm bis 12 mm in variabler Länge zur Verfügung, und bei Drähten hat sich der Durchmesser von 500 µm etabliert. Die mit den Leiterbildern stoffschlüssig verbundenen Strukturen lassen sich mittels patentierter Verbindungstechnik direkt auf das Basiskupfer auftragen und mit FR4-Basismaterial in jede beliebige Lage eines Multi-Layers integrieren.