Hochleistungs-LEDs auf FR4-Leiterplatten Mechanischer Hitzeschutz

Spezielle Stahlklemmen vereinfachen das Wärmemanagement bei der Bestückung von Hochleistungs-LEDs auf FR4-Leiterplatten.
Spezielle Stahlklemmen vereinfachen das Wärmemanagement bei der Bestückung von Hochleistungs-LEDs auf FR4-Leiterplatten.

Leuchtdioden sind die Zukunft der Beleuchtung, doch entwickeln die für Anwendungen beispielsweise in Autoscheinwerfern geeigneten ultrahellen LEDs so viel Wärme auf kleinstem Raum, dass herkömmliche Leiterplattenmaterialien an ihre Grenzen stoßen. Will man auf teure Speziallösungen mit Metallkern verzichten, kann solide Mechanik helfen.

Um das Wärmemanagement für die erhöhte Leistungsdichte von HB-LEDs (High Brightness) zu gewährleisten, waren bislang IMS (Insulated Metal Substrate) mit Aluminium- oder Kupferkern oder keramische Trägermaterialien im Einsatz. Doch sind solche Materialien sehr teuer und bringen einige Einschränkungen mit sich. So verzichtet man im Allgemeinen aus Kostengründen darauf, auf derartige thermisch hochwertige Träger die zur LED gehörige Treiberelektronik zu bestücken, sodass getrennte Platinen aufwändig mit Kabeln, Steckverbindern, SMT-Jumpern und Ähnlichem verbunden werden müssen. All diese Schwierigkeiten entfallen, wenn die HB-LEDs gemeinsam mit ihren Treibern auf weitverbreitetem FR4-Substrat bestückt werden können. »Das Ziel der Entwicklung muss sein, mit den entsprechenden Kundenvorgaben eine möglichst optimale Kombination von Design, Leistung und Wärmemanagement zu erreichen«, bekräftigt Gerhard Neumann, Head of R&D von Melecs.

Sein neuartiges Verfahren verwendet eigens entwickelte Stahlklemmen, die besonders im kostensensitiven Automobilbereich zu erwünschten Einsparungen führen können.

Mit dem Stahlklemmen-Verfahren vereint Melecs die Power-LEDs und die Treiberelektronik auf ein und derselben FR4-Leiterplatte und spart sowohl Kosten als auch Zeit: Einerseits entspricht der Herstellungsprozess einer konventionellen Platinenfertigung, andererseits lassen sich die Stahlklemmen leicht anbringen. Erforderlich hierbei sind sehr dünne Leiterplatten, damit der thermische Weg von der LED zum Kühlkörper möglichst kurz ist. Als optimal haben sich Dicken zwischen 0,7 mm und 0,8 mm erwiesen. Um die punktförmig von der LED abgegebene Wärme möglichst gut zu verteilen, sollte der thermische Weg vergleichsweise breit sein – dies löst Melecs durch 70 µm bis 105 µm dickes Außenkupfer, wodurch die Wärme auf einer Fläche von circa 15 mm x15 mm verteilt wird. Thermische Vias in einem Raster von 0,8 mm bis 1 mm führen die Wärme dann durch das FR4. Die Unterseite der Leiterplatte ist ebenso wie die Oberseite in Dickkupfer ausgeführt, so dass die Wärme mit geringem thermischem Übergangswiderstand in den Kühlkörper fließen kann.

Parallel dazu sorgen die Stahlklemmen für einen sicheren thermischen Kontakt zwischen dem Kupfer der Leiterplatte und dem Thermoplastgehäuse der Leuchte. Deren Federkraft gleicht ein eventuelles Schrumpfen, Fließen, Schwinden oder Verwinden aus. Zudem benötigt das Gehäusematerial keine erhöhte thermische Leitfähigkeit – es genügt beispielsweise das Standardmaterial PC ABS (Polycarbonat Acrylonitril Butadien Styren). Das Reibverschweißen von Gehäuse und Frontscheibe ist ebenfalls problemlos möglich.

»Versuche zeigten, dass zum Beispiel bei klassischen Tagfahrlichtern mit vier Luxeon Rebel LEDs von Philips Lumileds sogar noch auf den Aluminium-Kühlkörper verzichtet werden kann«, erläutert Neumann und merkt an: »Dies ist sogar bis zu Umgebungstemperaturen von +70 °C möglich.« Den thermischen Kontakt mit den Stahlfedern kann Melecs über die gesamte Lebensdauer der Lichtquelle garantieren.