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Thermisches Management

Hitzebeständige Leiterplatten für High-Power-LEDs

28. März 2013, 10:45 Uhr | Stefan Hörth

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Konstruktionsaufbau spart Platz

Das Praktische an LEDs ist, dass sie eine gezielte Regelung der Leuchtintensität und der Lichtfarbe ohne relevante Einbußen an Lebensdauer oder Zuverlässigkeit erlauben. Dabei lässt sich der LED-Treiber durch viele unterschiedliche Sensoren und eine intelligente Regelung ansteuern. Dabei wird die Leiterplatte schnell zum Flaschenhals. Denn eine Kombination von Steuerungselektronik und LEDs auf einer Leiterplatte erscheint aus wirtschaftlichen Gründen oft nicht sinnvoll. Die Kosten typischer Metallkern-Leiterplatten steigen deutlich wenn mehrere Lagen nötig sind. FR4-Leiterplatten hingegen erlauben zwar komplexe elektrische Verbindungen, können aber häufig den Wärmeanforderungen nicht genügen.

Die Verwendung hochentwickelter Leiterplatten auf FR4- und Kupferbasis mit partiell eingebetteten Kupferteilen wie bei HSMtec erlaubt es, ein hochleistungsfähiges Wärmemanagement in Kombination mit komplexer Steuerungselektronik sowie Sensoren auf der gleichen Leiterplatte unkompliziert miteinander zu kombinieren. Für FR4-Leiterplatten ist dies ohne größeren Mehraufwand oder zusätzliche Kosten möglich. Denn mit HSMtec lassen sich feinste Strukturen, die für die Steuerelektronik notwendig sind, einfach auf der gleichen Lage wie die Kupferelemente realisieren. Für das Design sind dabei keine zusätzlichen Software-Tools nötig.

In die Enge gedrückt mit Zhaga

Die Schnelllebigkeit des LED-Zeitalters stellt Leuchtenhersteller als auch die Endkonsumenten vor neue Herausforderungen: Die großen Leistungssprünge bei den LEDs und die damit verbundenen technischen Änderungen erfordern derzeit mit bald jeder neuen LED-Generation auch ein von Grund auf neues Leuchtendesign. Standardisierte LED-Module sollen hierbei für Abhilfe sorgen, um auf diese Weise eine Marksicherheit für LED Leuchten-Produzenten und eine direkte herstellerunabhängige Austauschbarkeit für den Endkonsumenten zu gewährleisten. Um dies rasch in die Tat umzusetzen, haben sich derzeit 170 Unternehmen der Lichtbranche im Zhaga-Konsortium zusammengeschlossen. Das Konsortium definiert bestimmte Schnittstellen-Spezifikationen für LED-Module und die dazugehörige Elektronik (das Vorschaltgerät) – gemeinsam bilden sie die „LED Light Engine“. Es werden dabei mechanische, thermische, photometrische und elektrische Schnittstellen betrachtet. Mit diesen Definitionen sollen die Zhaga-zertifizierten Light-Engines das Pendant zu standardisierten Leuchtmitteln wie Glüh- oder Leuchtstofflampe in der traditionellen Lichtwelt entwickeln. Definierte Eckdaten sorgen für Planungssicherheit bei Leuchtenherstellern.

Zwar beziehen sich die Standardisierungen auf das LED-Modul, dennoch unterscheidet Zhaga zwischen Modulen, die einen Treiber enthalten, der den Betriebsstrom für die LED-Komponente bereitstellt, und solchen, die keinen besitzen. Für beide Varianten ist bereits ein Standard definiert, genauso wie für die Abmessungen, also den Außendurchmesser und die Höhe des Moduls, die davon abhängt, ob ein Treiber enthalten ist oder nicht. Hinter diesen Standardisierungsbestrebungen verbergen sich jedoch enorme Herausforderungen an die Leiterplattenhersteller und auch Leuchtenentwickler. Die verfügbare Lichtauskopplungsfläche einer typischen Spot Light Engine nach den Zhaga-Spezifikationen mit 13,5 bis max. 26 mm im Durchmesser erfordert wegen der hohen Leistungsdichte ein sehr effizientes Wärmemanagement. Andererseits muss ein LED-Modul mit integriertem Treiber die Eingangsspannung von 230 V beherrschen und überdies für eine normgerechte elektrische Spannungsfestigkeit und galvanische Trennung sorgen.

Da bleibt nur wenig Platz für die Elektronik oder gar um mehrere Leiterplatten für das LED-Segment und die Ansteuerungstechnik in einem Sockel unterzubringen. Üblicherweise kommen hierbei IMS-Platinen zum Einsatz, die für rasche Entwärmung von LEDs sorgen sollen. Um die Verbindung zu einer zusätzlichen FR4-Platine mit der Steuerungselektronik zu ermöglichen, sind darüber hinaus noch Kabel- oder Steckverbindungen nötig. Dass dieser Aufbau nicht ideal ist und die Lebensdauer des Moduls und die Leuchtkraft der LEDs dadurch schmälert, ist unbestritten.