Thermisches Management
Hitzebeständige Leiterplatten für High-Power-LEDs
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Osram testet HSMtec
Häusermann engagiert sich in zahlreichen Forschungskooperationen und Entwicklungsprojekten führender Akteure der LED-Branche. Vorläufiger Höhepunkt ist die Zertifizierung zum weltweiten Expertennetzwerk „LED Light for you“ von Osram Opto Semiconductor, in dem über 90 namhafte Unternehmen der LED-Lighting-Branche vereint sind. Diese bieten bei der Entwicklung von Standardlösungen aber vor allem bei der Realisierung ungewöhnlicher Ideen professionelle Unterstützung, angepasst an die jeweiligen Einsatzbereiche und individuellen Wünsche. „LED Light for you“ ist daher eine Wissensplattform, auf der ausschließlich hochqualifizierte Partnerfirmen mit den Schwerpunkten Optik, thermisches Management und Elektronik sowie übergreifend arbeitende Systemintegratoren beraten.
Erste thermische Stresstests von Osram Opto Semiconductor bestätigen hier die hohe Zuverlässigkeit von HSMtec-Platinen auf Kupfer- und FR4-Basis (Bild). Der Einfluss von Temperaturschwankungen auf die Zuverlässigkeit von LED-Platinen ist nicht unerheblich und hat mehrere Ursachen. Neben der eigenen Wärmeentwicklung der LED sorgen Umgebungsbedingungen, aber auch das häufige Schalten und Dimmen für hohe Temperaturzyklusbelastungen. Jene wechselnden Temperaturen sind sehr oft die Ursache dafür, dass es zu einer Schädigung der Lötverbindung kommt, welche schlussendlich über einen Bruch oder Durchriss zum Ausfall der betroffenen LED bzw. einer ganzen in Serie geschalteten LED-Kette führt.
Die Ursache hierfür ist in den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der üblicherweise verwendeten Metallkern-Leiterplatten auf Aluminiumbasis zu finden. Sie sind für die enormen Scherkräfte verantwortlich, die nicht nur an der Lötverbindung zerren, sondern damit auch die Zuverlässigkeit der gesamten Baugruppe erheblich beeinträchtigen können. In Thermozyklen zwischen –40 °C und +125 °C wurden die Scherkräfte ermittelt, welche aufzuwenden sind um die Lötkontaktierung zwischen LED und Leiterplatte zu lösen. Dabei zeigte sich, dass die Scherfestigkeit der Metallkern-Leiterplatten auf Aluminiumbasis bei 1.500 Zyklen bereits unter 20 % des Initialwertes sank, während die FR4-Leiterplatte stabile 80 % an Scherfestigkeit aufwies (Tabelle).
| Temperatur | Alu MC-PCB | FR4-Kupfer HSMtec | Keramik-PCB |
|---|---|---|---|
| 0 – 60 °C | 450 % |
>2 × IMS |
>2 × IMS |
| –40 bis 85 °C | 100 % | >3,5 × IMS | >3,5 × IMS |
Ein erster Test von Osram Opto Semiconductor bestätigt die hohe Zuverlässigkeit der Lötverbindung von HSMtec mit Keramik-LEDs (Ergebnisse nach sechs Monaten Testdauer).
In einem weiteren umfangreichen Temperaturwechseltest mit unterschiedlichen Temperaturzyklen, der bereits 2011 startete, wurde HSMtec mit klassischen FR4-Platinen mit Thermovias, sowie typischen Metallkern- und Keramik-Leiterplatten-Lösungen gegenübergestellt. Getestet wurde mit zwei unterschiedlichen Test-Leiterplatten, die mit den beiden gängigen LED-Typen Ostar mit bis zu 12 W und Oslon mit bis zu 3 W bestückt waren. Beim Temperaturzyklustest von –40 °C bis +85 °C zeigten sich bei Metallkernplatinen auf Aluminiumbasis bereits erste Ausfälle der Lötverbindung nach nur 850 Zyklen, verursacht durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen des LED Substrates und der Leiterplatte. Die getesteten HSMtec-Leiterplatten bewältigten hingegen, nach mehr als einem halben Jahr Testdauer, bereits mehr als 3.000 Temperaturzyklen ohne Ausfall. Das Ergebnis überrascht insofern, als dass IMS-Lösungen häufig die erste Wahl für Wärmemanagement-Lösungen für den Einsatz von High-Power-LEDs sind, die Zuverlässigkeit jedoch deutlich unter den Erwartungen bleibt.
Bei dem für viele Outdoor-Anwendungen typischen Temperaturschwankungsbereich zwischen 0 °C und 60 °C konnten die FR4 basierten Leiterplatten-Lösungen mehr als 8.000 Zyklen ohne Beeinträchtigung durchlaufen und liegen damit gleichauf wie die Leiterplatte mit Keramiksubstrat. Das ist insofern bemerkenswert, als dass die Keramik-Platinen für Anwendungen mit hohen Verlustleistungen wie sie etwa Leistungshalbleiter aufweisen, ausgelegt sind, aber im Vergleich zu FR4- oder Hoch-TG-FR4-Leiterplatten im hochpreisigen Segment angesiedelt sind. Hier macht sich der Vorteil von HSMtec bemerkbar, beruht es doch auf Standard-FR4-Basismaterial mit partiell integrierten massiven Kupferelementen.
Welche Lebensdauererwartung lässt sich aus den besagten 8.000 Zyklen nun konkret ableiten? Ein Beispiel mit einer Straßenleuchte soll dies veranschaulichen: Geht man von einem einmal täglich stattfindenden Temperaturhub-Zyklus von 60 K (also beispielsweise von 0 °C auf 60 °C beim Einschalten der Außenleuchte bei kalten Witterungsbedingungen) aus, so kann für die Kombination einer HSMtec-Leiterplatte mit aufgelöteten üblichen Keramik-Substrat-LEDs mit einer gesamten Lebensdauer von mindestens 22 Jahren gerechnet werden. Bei einer Verringerung des maximalen Temperaturhubes, also einer Senkung der Sperrschichttemperatur, verlängert sich diese Lebensdauererwartung entsprechend. Die guten thermischen Eigenschaften einer HSMtec-Leiterplatte tragen daher ebenso wie ein optimiertes Leiterplattendesign zu einer weiteren Verlängerung der gesamten Systemlebensdauer bei.
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