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Der Hsmtec-Demonstrator zeigt, dass die Platinentechnik weitreichende Möglichkeiten in der Lichtführung und im Produktdesign eröffnet.
Vergleich einer herkömmlichen Zweiplatinenlösung mit Häusermanns FR4/Kupfer-Kombination.
Ein Test von Osram Opto Semiconductor bestätigt die hohe Zuverlässigkeit der Lötverbindung (in %) von Hsmtec.
Die großen Kupferquerschnitte der Hsmtec können große Wärmemengen und/oder hohe Ströme Wärme schnell auch über den Biegebereich abführen.
Das im Verbund mit Arrow, Kathrein-Austria, Cree und Häusermann realisierte Projekt LEDagon zeigt anschaulich, welche Möglichkeiten die Platinentechnik Hsmtec bietet.
LEDagon aufgeklappt: noch im Nutzen, aber fertig zur LED-Bestückung und anschließendem Biegeprozess.
Auf die Platinenunterseite von LEDagon werden die für die Ansteuerungselektronik nötigen Bauteile aufgelötet
Das Thermogramm des Demonstrators zeigt die Wärmeflüsse.
Integration von Drähten und Profilen der Hsmtec in die Leiterplatte.

Um für Leistungsmodule eine hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer sicherzustellen, ist beginnend von dem aufgelöteten Die bis zum Kühlkörper eine optimale Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Allerdings hat die Entwicklung von Leiterplatten-Technologien, welche die Realisierung hoher Ströme und effektiver Entwärmungskonzepte ermöglichen, in vielen Phasen in Einbahnstraßen geführt.

Zwar haben sich einige Technologien durchgesetzt, die in elektronischen Baugruppen Ströme im hohen zweistelligen und mittleren dreistelligen Bereich auffangen konnten. Dennoch konnten die bisherigen konventionellen Lösungen die technischen Anforderungen meist nur teilweise erfüllen. Ein wesentliches Manko der meisten dieser Technologien sind bislang die sehr hohen Realisierungskosten.

Ziel ist es nach wie vor, eine wirtschaftlich und ökologisch verträgliche Lösung anzubieten.

Selektiv vorgehen

Mit Hsmtec geht Häusermann einen neuen Weg. Die Technik, die nach DIN EN 60068-2-14 und JEDEC A 101-A qualifiziert und für Luftfahrt und Automotive auditiert ist, geht selektiv vor: Nur dort, wo tatsächlich hohe Ströme durch die Leiterplatte fließen sollen, wird das Dickkupfer — 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 500 μm dicken Kupferelemente lassen sich mittels Ultraschallverbindungstechnik direkt auf das Basiskupfer auftragen und mit FR4-Basismaterial in jede beliebige Lage eines Multilayers integrieren.

Dass dabei Kupfer zum Einsatz kommt, hat mehrere Gründe: Es weist im Vergleich zu Aluminium die doppelte Wärmeleitfähigkeit auf und sorgt somit für eine schnelle Wärmeableitung ohne isolierende Zwischenschichten unterhalb des Heatpads der LED. Ein weiterer Vorteil von Kupfer und dem Leiterplattenbasismaterial FR4 sind die Wärmeausdehnungseigenschaften: Speziell in Verbindung mit Keramik-LEDs weisen Leiterplatten auf Kupfer- bzw. FR4-Basis eine hohe Beständigkeit gegen thermische Beanspruchungen auf, die auf Umgebungs- oder Betriebsbedingungen und weitere Temperaturzyklen wie etwa für intelligente Beleuchtungssteuerungen zurückzuführen sind. Auf diese Weise lässt sich die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der gesamten Beleuchtungseinheit im Vergleich zu üblichen Metallkern-Leiterplatten auf Aluminiumbasis deutlich erhöhen.

Intelligente Wärmemanagement-Lösung

Ein Blick auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit zeigt die Bedeutung des durchgängig metallischen Pfades von der Quelle bis zur Senke und das Leistungspotenzial von Hsmtec. Kupfer leitet Wärme 1000-fach besser als FR4. Durch die intelligente Kombination von integrierten Kupferprofilen mit modernen Leiterplattentechnologien wie Micro- und Thermovias ist es möglich, eine direkte metallische Ankontaktierung der Lötflächen (Bauteile, Kühlkörper) an die Profile zu realisieren, wodurch sich Engpässe im thermischen Pfad vermeiden lassen. Ein wärmetechnisch optimierter Lagenaufbau sorgt zusätzlich für rasche Wärmespreizung und unterstützt somit das gesamte thermische Konzept.

Im Fall von sehr kleinen LED-Gehäusen sorgen gefüllte Microvias für eine direkte metallische Verbindung zu wärmeleitenden Kupferelementen, deren Anbringung ca. 60 μm unterhalb der Deckschicht der Leiterplatte möglich ist. Im Vergleich zu Thermal Vias, die beispielsweise direkt unter Heatpads gesetzt werden, ist das Löten gefüllter Microvias problemlos möglich.

Schliffbilder beweisen, dass sich das Einbetten der 500 µm dicken Strukturen, egal ob Draht oder Profil, in nur einem Multilayer-Presszyklus erfolgreich bewerkstelligen ließ. Selbst bei versetzt gegenüberliegenden Strukturen genügt ein Presszyklus, wobei die Dicke von zwei sich gegenüberliegenden 500 µm dicken Strukturen etwa 600 µm beträgt.

Know-how inklusive

Anhand einer großen Zahl von empirischen Untersuchungen konnte Häusermann sein Know-how in den Bereichen thermisches Management und Hochstrom auf der Leiterplatte umfangreich erweitern: Die daraus gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen es, Kunden unkompliziert und aktiv bei der thermischen Dimensionierung und dem Design der Leiterplatte und Baugruppe zu unterstützen. Hsmtec wurde von unabhängigen Prüfinstituten qualifiziert und setzt auf Standard-FR4-Material.

Zudem wird es im Standard-Herstellungsprozess gefertigt und gewährleistet damit eine einfache Weiterverarbeitbarkeit. Darüber hinaus ermöglicht diese Technik die Konstruktion von mehrdimensionalen Leiterplatten. Kerbfräsungen an den Sollbiegestellen sorgen dafür, dass einzelne Segmente durch beliebige Einstellung des Neigungswinkels in die gewünschte Ausrichtung gebracht werden können.

Das mit Profilen und Drähten integrierte Dickkupfer stemmt Ströme von bis zu 500 A. Dies stellt eine sinnvolle Alternative zu bisherigen Platinenlösungen dar, welche vollflächige bis zu 500 µm dicke Kupferlagen vorsehen oder kostenintensive IMS-Lösungen (Insulated Metal Substrate), die anstelle des üblichen Basismaterials meist massive Aluminiumkerne als Wärmeträger einsetzen.

Power-LEDs gut gekühlt

Trotz verbesserter Wirkungsgrade wird auch bei LEDs noch ein großer Anteil der elektrischen Leistung in Wärme umgewandelt. Zudem kommen immer häufiger UHB-LEDs (Ultra High Brightness LEDs) mit bis zu zehn oder mehr Watt pro Gehäuse und LED-Arrays mit vielen eng nebeneinander platzierten LEDs 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.

Konstruktive Maßnahmen auf Leiterplattenebene helfen, die Wärmeableitung zu optimieren, um so die LEDs im optimalen Bereich zu betreiben, um Ausfällen oder Veränderungen entgegenzuwirken. 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.

Um jedoch kreative Lichtgestaltung mit Power-LEDs erfolgreich umzusetzen, ist die enge Bindung zwischen Kunde und Platinenhersteller unabdingbar: Bereits in der Konzeptphase muss gemeinsam das gesamte thermische Design — von der Leiterplatte bis zum Leuchtengehäuse — optimal abgestimmt werden. Unterschiedliche Prototypenvarianten und thermische Analysen erlauben es, die Hsmtec-Technologie optimal zu nutzen.

Verbundprojekt LEDagon

Mit der Entwicklung des gemeinsamen Vorzeige-Projektes LEDagon ist es den Unternehmen Arrow Electronics, Cree, Häusermann und Kathrein-Austria gelungen, umfassendes Know-how zu einer zukunftsweisenden Lösung im LED-Lighting-Bereich zu verknüpfen. Ziel ist es, verschiedene Technologien mit Thermal-Management-Lösungen, Sensoren und anderen Elektronik-Komponenten verständlich und unkompliziert zu verschmelzen.

LEDagon verfügt zudem über eine intelligente Elektroniksteuerung und Xlamp-LEDs mit unterschiedlicher Lichtleistung von Cree. Mit dieser Kombination kann das System neue Anwendungsbereiche für die Beleuchtung mit LEDs aufzeigen. Über die Sensor-basierte Steuerung lassen sich Parameter wie Position, Ausrichtung, Helligkeit und Temperatur kontrollieren.

Das Gehäuse ist für die Einstellung verschiedener Betriebsmodi mit zahlreichen Tasten und Slidern ausgestattet. Eine Siebensegment-Anzeige zeigt den aktuellen Betriebsmodus an. Zudem ist es möglich, Software-Updates über eine Mini-USB-2.0-Schnittstelle aufzuspielen. Um das System remote zu steuern, Ergebnisse auszuwerten oder Firmware-Updates vorzunehmen, ist eine Windows-Host-Anwendung integriert. Die Energieversorgung wird über eine Standard-DC-Stromversorgung sichergestellt.

Um die Abwärme der on top angebrachten High-Power-LED-XM-L von Cree mit bis zu 10 W und den drei Medium-Power-LEDs Cree XT.E mit jeweils bis zu 3 W rasch an den auf der Platinenunterseite angebrachten Standard-Kühlkörper abzuleiten, kommen zwei 12 mm breite und 500 µm hohe Kupferprofile mit einer Länge von insgesamt 155 mm zum Einsatz, die direkt unter den LEDs mittels Ultraschallverbindungstechnik in den vierlagigen FR4-Multilayer integriert wurden.

Da Hsmtec selbsttragende mehrdimensionale Konstruktionsmöglichkeiten ermöglicht, lassen sich die einzelnen Leiterplattensegmente individuell in die gewünschte Einbaulage und Ausrichtung bringen. Dadurch ist ein durchgehender metallischer, thermischer Pfad vom Hotspot der seitlich angeordneten LEDs bis zur zentralen Wärmesenke auch über die Biegung hinweg gewährleistet.

Thermo-Blindvias und mit Kupfer verfüllte Microvias mit einem Durchmesser von 125 µm erlauben eine direkte Anbindung der LEDs an die massiven Kupferprofile und garantieren somit geringsten thermischen Widerstand der Leiterplatte.

Die individuellen zu einem Oktagon geformten Leiterplattensegmente sorgen für photometrische Flexibilität und interessante optische Lösungen. Diese absolute Designfreiheit sorgt überdies für interessante optische Lösungen, denn: Jedes einzelne LED-Segment lässt sich durch beliebige Einstellung des Neigungswinkels individuell ausrichten. Das Besondere an Hsmtec bei mehrdimensionalen Anwendungen ist zudem, dass sich aufgrund der großen Kupferquerschnitte auch große Wärmemengen und/oder hohe Ströme über den Biegebereich abführen lassen. Andere Lösungen erreichen hier rasch ihre Grenzen.

Schmale Luftschlitze an den Seiten ermöglichen die Luftzirkulation und somit einen lüfterlosen Betrieb des LEDagon-Demonstrators. Zur besseren Stabilität und Arretierung der Platinensegmente an die Bodenplatine kommen Leiterplatten-Stiftverbindungen zum Einsatz, die im Lötprozess aufgeschmolzen werden.

LEDagon demonstriert anschaulich, dass sich sowohl die LED als auch die benötigte Ansteuerungselektronik dank HSMtec auf ein und derselben Leiterplatte unterbringen lassen, und dies bei optimaler thermischer Entkopplung: Insgesamt 42 integrierte Drahtverbindungen mit einem Durchmesser von 500 µm erlauben die Verbindung der einzelnen mehrdimensionalen Platinensegmente zur intelligenten Steuerung der einzelnen LEDs. Mit Hsmtec ist es somit  möglich, große Wärmemengen und/oder hohe Ströme von bis zu 500 A direkt innerhalb der Leiterplatte zu führen.

Überdies kommt die gesamte Konstruktion ohne Kabel-, Steck- oder sonstigen mechanischen Verbindungen aus. Das erhöht nicht nur die Zuverlässigkeit der Anwendung, sondern auch deren Lebensdauer.