LEDs im konservativen Erscheinungsbild.

LEDs im konservativen Erscheinungsbild.LPKF

Lichtemittierenden Dioden, kurz LEDs, sorgen für die Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristallbildschirmen, verleihen Pkws ihr markenspezifisches Lichtdesign oder beleuchten etwa das Außenfeld des Innsbrucker Flughafens mit seinen 49.000 m² ohne nennenswerte Lichtverschmutzung. Was hier zählt, sind die Langzeitstabilität, der niedrige Strombedarf, die geringe Bautiefe und eine mögliche Lebenszeit von mehr als 10.000 Stunden.

Akzeptanz und Anschaffung

Aber auch private Haushalte wollen und sollen Energie sparen. Wenn der Verbraucher ein neues Leuchtmittel erwerben muss und für eine LED-Lampe bis 15 Euro zahlen soll – also etwa das Fünffache einer Halogenleuchte – dann sieht er nur den Preis und nicht die lange Lebensdauer und den fast 80 Prozent geringeren Verbrauch.

Auf einen Blick

LED müssen in Zukunft kleiner, leichter und vor allem günstiger sein. Dieser Herausforderung stellt sich die MID-Technik (Molded Interconnect Devices), die eine kosteneffiziente Herstellung ermöglicht und dem Designer geometrischen Freiheiten gewährt. Das Aufbringen der elektronischen Bauteile übernimmt ein 3D-Bestücker; als Kühlkörper fungiert ein Alukörper, der mit einem LDS-fähigen Pulverlack beschichtet ist. LEDs lassen sich so direkt auf der Wärmesenke platzieren.

Ein Grund für die hohen Stückkosten liegt in der Struktur der LED-Komponente: sie ist flächig und strahlt nur nach einer Seite ab. Für eine 300°-Lichtabstrahlung sind bei LEDs Optiken und Reflektoren nötig oder die Integration in Diffusorkuppeln. Eine sinnvolle Variante ist es, LEDs in ähnlichen Geometrien zu platzieren wie die Glühwendel einer Birne, das ist aber momentan meist noch ein preisintensives Ansinnen.

Die LED als Alleskönner

LEDs funktionieren nur mit Gleichstrom, man braucht also die elektronische Komponente, die Wechsel- in Gleichstrom umwandelt. Angenehm wäre es, die Lampe dimmen zu können, was weitere Elektronik voraussetzt. In Zeiten des vernetzten Hauses träumt so mancher von einem passenden Lichtmanagement. Sinnvoll wäre hier, LEDs über RFID-ähnliche Komponenten anzusteuern, ohne die Wände für die nötigen Leitungen aufstemmen zu müssen. Eine Sensorik, die die Beleuchtung automatisch regelt erfordert noch mehr Elektronik für die LED-Leuchte.

Wird das weiße Licht der LEDs nicht durch Lichtkonversion sondern durch Mischen des Lichts von roten, grünen und blauen LEDs erzeugt, dann ist auch die Lichtfarbe steuerbar, allerdings mit noch mehr Elektronik. Damit die Beleuchtung hier nicht astronomische Summen verschlingt, sind Modelle gefragt, die möglichst nicht nur die Hightech-Varianten der LED-Beleuchtung, sondern auch die normale Alltags-LED-Lampe, egal ob im industriellen Segment oder für den Endverbraucher, kostengünstiger gestalten.

Das Clip'n-Slide-Schienensystem von Homelights: Die Clips sind per Magnet mit der Schiene verbunden; sie sind mit LDS-Technik gefertigt.

Das Clip‘n-Slide-Schienensystem von Homelights: Die Clips sind per Magnet mit der Schiene verbunden; sie sind mit LDS-Technik gefertigt.LPKF

Die Technik dahinter

Das MID-Verfahren (Molded Interconnect Devices) sichert sowohl die kosteneffiziente Herstellung als auch geometrische Freiräume. Dabei platziert man die Leiterbahnen und Elektronikkomponenten direkt auf dreidimensionale Kunststoffkörpern. Unter den verschiedenen MID-Verfahren dominiert das Laser-Direkt-Strukturieren (LDS). Es nutzt einen thermoplastischen Kunststoff, dotiert mit einem laseraktivierbaren Additiv. Wenn der Laserstrahl auf dieses Substrat trifft, legt er das Additiv frei und bildet eine aufgeraute Spur.

Die Additive stellen die Keime für die nachfolgende stromlose Metallisierung in einem stromlosen Bad dar. Üblich sind Leiterbahnen aus Kupfer mit einer Stärke von bis zu 10 µm, gefolgt von einer Veredelung mit Nickel und Gold. Für höhere Ströme und die Funktion als Wärmesenke lassen sich dickere Schichten mittels dem elektrolytischen Plattierens erzeugen. Im industriellen Einsatz sorgen Laser-Anlagen mit bis zu vier Laser-Bearbeitungseinheiten für kurze Zykluszeiten.

Mit dem von LPKF entwickelten Prototypingverfahren lassen sich schnell und günstig funktionierende LDS-Prototypen realisieren. Der Schritt von der Idee über den Prototypen zur Serienfertigung ist kurz – die Zeit zur Markteinführung sinkt damit. „Das LDS-Verfahren hat seit Jahren seine Großserientauglichkeit bewiesen. Damit lassen sich zum Beispiel auf mechanische Komponenten Leiterstrukturen oder Antennen aufbringen“, bemerkt Stephan Krause, der als Strategic Product Manager LDS bei LPKF in Garbsen tätig ist.

Einige Materialien lassen sich auch durchbohren. Dabei aktiviert der Laser automatisch beim Bohren die Wand des Bohrlochs, diese läßt sich durch ein Metallisierungsbad beschichten. Es entsteht so eine elektrische Verbindung zur anderen Seite der Wandung, eine Durchkontaktierung.

Zum Aufbringen elektronischer Bauteile dient der 3D-Bestücker Hydra.

Zum Aufbringen elektronischer Bauteile dient der 3D-Bestücker Hydra.Essemtec

Einfach mal zusammenbauen

Zum Aufbringen elektronischer Bauteile steht der 3D-Bestücker Hydra von Essemtec zur Verfügung. Die Anlage schafft bis zu 2500 Komponenten pro Stunde im 3D-Modus. „Problematisch war, dass sich die Schwerkraft auf das Dispensing und das Platzieren auf einer nicht horizontalen Fläche auswirkt“, fasst Florian Schildein zusammen, er leitet das Marketing und den Vertrieb bei der Essemtec. In der Maschine arbeitet ein integrierter Roboter, aber anders als gewohnt, funktioniert hier die Vorrichtung zur Werkteilbewegung als Master und der Roboter als Slave. Das Ergebnis ist eine Kombination aus einer 2D-Pick-and-Place-Maschine mit einem speziellen Substrathalter, den der Roboter im erforderlichen Winkel positioniert.

Ein Roboter positioniert das zu bestückende Bauteil im Arbeitsraum.

Ein Roboter positioniert das zu bestückende Bauteil im Arbeitsraum.Essemtec

„Kleber und Lot können die Komponenten sogar halten, wenn das Bauteil auf dem Kopf steht. Aber es müssen Designvorgaben beachtet werden“, berichtet Florian Schildein. Die Anlage kann Substrate von einer Größe bis 300 x 300 x 50 mm3 und einem Gewicht bis zu 2 kg mit einer Platziergenauigkeit kleiner als 60 µm bearbeiten. Die Hydra positioniert sich als Anlagentechnik, die nahe an der Massenproduktion ist.

Wenn Kühlung zählt

Im Betrieb erwärmen sich LEDs trotz effizienter Stromnutzung. „LEDs vertragen eine Junction-Temperatur von von 125 bis 135 °C, höchstens 185 °C. Auch der LED-Treiber beeinflusst die Lebensdauer. Deshalb geht es nicht ohne Thermomanagement, wobei deren Leistung abhängig von der Form des Leuchtkörpers ist“, weiß Rudi Hechfellner, Director of Applications bei Philips Lumiled in San José, Kalifornien.

Bei linearer Anordnung reichen Aluminiumschienen aus. Flächige LED-Leuchten brauchen eine Wärmesenke. Rudi Hechfellner erläutert: „Gebraucht wird ein Kühlkörper, der auch noch die nötige mechanische Stabilität mitbringt und den länderspezifischen Zertifizierungen genügt.“ Daher stellt das Wärmemangement für eine LED-Leuchte eine Herausforderung dar.

Mit dem LDS-Pulverlack lassen sich Leiterbahnen auf beliebigen räumlichen metallischen Körpern platzieren.

Mit dem LDS-Pulverlack lassen sich Leiterbahnen auf beliebigen räumlichen metallischen Körpern platzieren.LPKF

Mit einer LDS-fähigen Pulverlackierung geht LPKF auch dieses Problem an: Damit werden auch räumliche metallische Grundkörper zu Trägern von Bauteilen – hier LEDs. Bei MID-Tronic in Wiesau entstand ein Demonstrator. „Als Kühlkörper fungiert ein massiver Alukörper, der mit einem weißen LDS-fähigen Pulverlack beschichtet wurde“, berichtet Karl Görmiller, Geschäftsführer bei MID-Tronic. Den LDS-Pulverlack bringt man auf den Alukörper auf und härtet ihn aus. Ein Laser strukturiert die Leiterbahnen; abschließend erfolgt die Metallisierung. Der erzeugte Demonstrator funktioniert bestens, allerdings hat er ein beachtliches Gewicht. „Uns ging es erst einmal um das Funktionieren; in Zukunft sehe ich statt einem massiven einen hohlen Alukörper, kostengünstig hergestellt im Spritzgussverfahren“, erklärt Karl Görmiller.

Dicke Leiterschichten

Um auf Kunststoffbauteilen höhere Schichtdicken der Leiterbahnen von 35 bis 70 µm für eine verbesserte Wärmeabfuhr zu erreichen, lässt sich nach der stromlosen Metallisierung galvanisch auf die gewünschte Schichtdicke nachverstärken. Da der Hauptteil der Wärme durch das Substrat geht, steht jetzt die Entwicklung thermisch leitender, LDS-fähiger Kunststoffe an. Für das erste Halbjahr 2014 ist der Abschluss der Entwicklung und die Markteinführung des LDS-Pulverlackes geplant. „Der große Vorteil ist dann, dass sich LEDs direkt auf der Wärmesenke platzieren lassen, außerdem macht das LDS-Verfahren ein Schaltungsboard und ein thermisches Interfacematerial überflüssig“, informiert Stephan Krause.

„Die Wärmeleitung in Polymeren erreichen wir über Filler, da gibt es nur ein Problem: zuviel Filler kann das Polymer spröde machen“, betont Dr. Christoph Heinle, Leiter F&E bei RF Plast in Gunzenhausen. Da es eine große Zahl von Fillern mit einer großen Breite thermisch leitender Eigenschaften gibt, ist er sicher, zu jeder Anwendung die passende Mischung zu finden.

Da die Herstellung der LED-Basiskörper kostengünstig bleiben muss, ist weiter Spritzguß gefragt. „Filler in spritzgegeossenen Teilen haben nicht überall dieselbe Orientierung. Diese Orientierung richtet sich nach dem Ort im Bauteil, deshalb ist die Leitfähigkeit nicht im ganzen Bauteilteil gleich. Wir haben ermittelt, wo, abhängig von der Bauteilgeometrie, die thermische Leitfähigkeit am Größten ist; damit können wird passende Teile konzipieren, bei denen am gewünschten LED-Platz die Wärmeleitung maximal ist“, fasst Christoph Heinle die Ergebnisse der Forschungsarbeiten zusammen. Der Vorteil: Designarbeit optimiert den Effekt, der Materialpreis tritt in den Hintergrund.

Praktische Umsetzung

Alles in allem hat die LDS-Technik ein großes Potenzial für LED-Beleuchtung, denn das Verfahren ist effizient, kostengünstig und großserienfähig. Es gibt außerdem geeignete Bestückautomaten für die Massenfertigung. „Mit diesem Verfahren steht eine fast unbegrenzte Zahl an Oberflächengeometrien für LED-Lampen zur Verfügung; auch mit frei geformten Substraten  funktioniert es“, freut sich Stephan Krause.

Mit dem Einsatz thermisch leitender Kunststoffe statt Aluminium steigt die Produktivität weiter, ein Designwechsel hilft hier, Geld zu sparen. Dazu lassen sich weitere elektronische Komponenten und Funktionen ohne zusätzliche Prozessschritte integrieren. So entstehen mit LDS leichtere, kleinere und kostengünstigere LED-Leuchten.