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Thermische Auslegung von LED-Leuchten
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Optimierungsmöglichkeiten und thermische Vias
Als optimierte Variante gibt es IMS-Platinen, bei denen das Metall der Metallplatte durch die Isolationsschicht herausragt und der Wärmeleitpad direkt metallisch angebunden ist. Damit sind thermische Wiederstände von weniger als 2 K/W erreichbar. Bei FR4-Platinen ist nahezu die gesamte Platinendicke die isolierende Schicht. Hier ist eine Wärmespreizung umso wichtiger. Neben einem optimierten Layout lassen sich auch dickere Kupferlagen verwenden. Üblich sind 35 µm und 70 µm, auch 105 µm zählen noch zum Standard. Damit lassen sich allerdings nur thermische Widerstände zwischen 30 und 40 K/W erzielen. In vielen Fällen wird das nicht ausreichen.
Als erste Verbesserungsmaßnahme gilt der Einsatz von thermischen Vias. Diese kupferbeschichteten Durchgangslöcher stellen normalerweise die elektrische Verbindung zwischen Ober- und Unterlage her. Im hier beschriebenen Einsatzszenario nutzt man sie für die Wärmeleitung. Da ein Via alleine noch nicht sehr viel Wärme leiten kann, werden mehrere Vias eng aneinander platziert. Zusätzlich sollten die Durchgangslöcher möglichst nahe an der LED liegen, denn die thermische Querleitfähigkeit der Kupferlage ist begrenzt. Weit entfernte Löcher haben meist keine Wirkung. Besondere Beachtung verdient in diesem Fall die elektrische Isolation.
Verbindet man die Vias nur mit den isolierten Wärmeleitpads der LED, ist keine zusätzliche elektrische Isolierung zum Kühlkörper notwendig. Allerdings müssen die entsprechenden Richtlinien für die elektrische Sicherheit eingehalten werden. Bei netzbetriebenen Anwendungen ist auf eine ausreichende Isolierung zu achten. Ist eine elektrische Isolierung auf der Platinenrückseite vorhanden, können Durchgangslöcher auch in den stromführenden Leiterbahnen eingesetzt werden. Dies verbessert die thermische Performance nochmals. Welchen Effekt die verschiedenen Via-Varianten haben, zeigt Bild 5.
Vias können auch direkt unter dem Lötpad der LED zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit beitragen. Hier ist es allerdings erforderlich, sie zusätzlich mit Epoxidharz zu füllen und mit einer Kupferlage zu überziehen. Anderenfalls würde das Lötzinn unkontrolliert in die Löcher fließen. Dies könnte Unebenheiten auf der Rückseite verursachen, welche die thermische Anbindung an den Kühlkörper bzw. das Gehäuse behindern. Darüber hinaus gibt es kupfergefüllte Vias, die thermisch ideal, aber schwer herzustellen sind.
Eine gute Möglichkeit, die thermischen Eigenschaften von FR4-Platinen zu verbessern, bietet der Einsatz von massiven Kupferprofilen in der FR4-Lage. Damit ist es auch möglich, die elektrische Isolierung beizubehalten und dennoch gute Wärmeableitung zu erzielen.
Keramikplatinen
Als Luxusvariante und besonders wirkungsvoll gilt die Keramikplatine. Als Keramiken sind Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid üblich, wobei Aluminiumnitrid eine deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit hat. Da Keramik selbst elektrisch isolierend wirkt, kann man auf die thermisch schlecht leitende Isolationsschicht verzichten. So lassen sich sehr niedrige thermische Widerstände erreichen – etwa 3,5 K/W bei Aluminiumoxid und etwa 1 K/W bei Aluminiumnitrid (Bild 6). Keramik eignet sich vor allem auch für Anwendungen mit hoher thermischer Zykelbelastung, denn der Wärmeausdehnungskoeffizient passt mit dem der keramischen Träger der meisten 1‑W-LEDs gut zusammen. Im Gegensatz dazu kann es bei Verwendung der oben beschriebenen Aluminium-IMS-Platinen durch die hohe thermische Ausdehnung von Aluminium nach hoher Zykelbelastung zu Lötstellenabrissen kommen.
Das thermische Design endet jedoch nicht auf der Rückseite der Platine. Die Kühlkörpertemperatur an dieser Stelle ist der Ausgangspunkt für die Dimensionierung der Platine. Für die Dimensionierung von Kühlkörpern, die bei LED-Beleuchtungsanwendungen im Idealfall gleichzeitig das Gehäuse sind, ist allerdings eine separate Betrachtung erforderlich. Denn auch hier spielen zahlreiche Faktoren eine wichtige Rolle.
- Thermische Auslegung von LED-Leuchten
- Betriebstemperaturen und Wärmeübertragung
- Optimierungsmöglichkeiten und thermische Vias
- Autorenvorstellung
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