Bildergalerie
Die mit HSMtec realisierte LED-Ringbeleuchtung Corona L.
Detailansicht der LED-Ringbeleuchtung: Gut zu sehen sind die individuell verstellbaren Platinensegmente des äußeren Ringes.
Unbestückte HSMtec-Platine mit angewinkelten Segmenten.
Kupferprofile und Drähte auf Innenlage.

High-Power-LEDs haben es in sich. Mit unterschiedlichen Wellenlängen ermöglichen sie eine hohe Lichtleistung, die nicht nur die Beleuchtungsindustrie revolutioniert. Auch im industriellen Umfeld setzen sie sich immer mehr durch, von Robotik über Pharmazie bis zu Verpackung oder Automobilelektronik. Vor allem in der Bildverarbeitung haben die lichtemittierenden Dioden ihre Einsatzbereiche erobert. So läuft die LED in der Qualitätssicherung den etablierten Lasersystemen vermehrt den Rang ab.

Auf einen Blick

HSMtec soll die Wärme möglichst schnell von der Wärmequelle (dem Bauelement) über einen thermisch gut leitenden Pfad zur Wärmesenke führen, die aus einer möglichst großen Oberfläche besteht. Die Kombination von HSMtec mit Thermo- und Microvias und einem Kühlkörper mit möglichst großer Wärmekapazität, sorgt für eine rasche Entwärmung. Bislang wurden zahlreiche Projekte mit HSMtec und mit Losgrößen von bis zu 10.000 Einheiten realisiert.

Traditionelle Laserdioden-Module projizieren beispielsweise schmale Linien, die eine Bildverarbeitung dann auswertet. Durch Reflexion an rauen Oberflächen interferiert das kohärente Laserlicht jedoch mit sich selbst und erzeugt ein Muster, das in der Kamera als Speckle sichtbar wird. Diese kontrastreichen Flecken erschweren die Auswertung erheblich. LEDs besitzen eine wesentlich größere Wellenlängenmischung, weshalb sie keine Speckle erzeugen, nicht kohärent sind und auch nicht unter den Laserschutz fallen. Allerdings strahlen Leuchtdioden in einen gesamten Halbraum, weshalb sie sich nicht so einfach wie das Laserlicht zu einer Linie oder einem anderen Muster formen lassen. Mit neuartigen optischen Systemen ist es indes möglich, LED-Matrizen optisch in Form zu bringen, so dass sich unabhängig von der Entfernung Linien oder Muster exakt scharf abbilden lassen. So liefert eine passende LED-Matrix mit adaptierter Optik eine Zeilenprojektion, die an den Kanten schärfer ist als bei Zeilenbeleuchtungen und innerhalb der Linie homogener ist als mit dem Laser.

Die flächige Leuchtkraft hat aber auch Vorteile, etwa für die Ringbeleuchtung in der Bildverarbeitung. Die muss den spezifischen LED-Erfordernissen und deren Einsatzbedingungen entsprechend sauber konstruiert und entwickelt sein. Trotz sehr hoher Wirkungsgrade wird auch bei LEDs noch ein großer Anteil der elektrischen Leistung in Wärme umgewandelt, daher spielt beim Design das thermische Management eine große Rolle. Die Komplexität dieser thermischen Systeme wird vielerorts unterschätzt. Erhöhte Wärmeverlustleistungen als Folge fortschreitender Miniaturisierung und leistungsstärkerer Bauelemente fordern insbesondere die Leiterplattenhersteller heraus, so genannte Hotspots in den Griff zu bekommen.

Kupferelemente für schnelle Abwärme

Bei LEDs wirken sich erhöhte Temperaturen besonders drastisch aus, und zwar auf deren Helligkeit und Lebensdauer. Umso wichtiger ist ein intelligentes, effizientes Wärmemanagement der Leiterplatte. 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.

HSMtec ermöglicht die Integration intelligenter Steuerelektronik auf LED-Leiterplatten, was zu deutlicher Platzersparnis führt.

HSMtec ermöglicht die Integration intelligenter Steuerelektronik auf LED-Leiterplatten, was zu deutlicher Platzersparnis führt.Häusermann

Eine mögliche Lösung ist HSMtec des österreichischen Leiterplattenhersteller Häusermann. Sie bietet eine schnelle und selektive Wärmeableitung und implementiert Kupferelemente nur dort, wo tatsächlich hohe Ströme oder Wärme durch die Leiterplatte fließen sollen. Das massive Kupfer kommt als Profil oder in Drahtform zum Einsatz. Derzeit stehen 500 µm hohe Profile mit Breiten von 2 bis 12 mm in variabler Länge zur Verfügung; bei Drähten hat sich der Durchmesser von 500 µm etabliert. Die mit den Leiterbildern stoffschlüssig verbundenen Strukturen lassen sich mittels Ultraschallverbindungstechnik direkt auf das Basiskupfer auftragen und mit FR4-Basismaterial in jede beliebige Lage eines Multilayers integrieren. Damit ist auch komplexe Steuerelektronik integrierbar.

Die konstruktiven Maßnahmen auf Leiterplattenebene müssen abgestimmt sein auf die Menge der abzuführenden Wärme, den verfügbaren Platz, die Abmessungen und die Kontaktierungsart der Bauelemente sowie die Komplexität der Schaltung.

Vertikaler Wärmetransport

Die spezifische Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien.

Die spezifische Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien.Häusermann

Ein Blick auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit zeigt die Bedeutung des durchgängig metallischen Pfades von der Quelle bis zur Senke: Kupfer leitet Wärme 1000-fach besser als FR4. Durch die 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. Häusermann unterstützt seine Kunden bei Bedarf bei der thermischen Dimensionierung und dem Design der Leiterplatte und Baugruppe.

HSMtec wurde von unabhängigen Prüfinstituten qualifiziert, etwa nach DIN EN 60068-2-14 und Jedec A 101-A, und für Luftfahrt und Automotive auditiert. Die Technik setzt auf Standard-FR4-Material und wird im Standard-Herstellungsprozess gefertigt. Darüber hinaus ermöglicht HSMtec die Konstruktion von selbsttragenden mehrdimensionalen Leiterplatten. Mit Kerbfräsungen an den Sollbiegestellen und beliebiger Einstellung des Neigungswinkels lassen sich einzelne Segmente in die gewünschte Ausrichtung bringen.

Clevere LED-Ringbeleuchtung mit HSMtec

Funktionsaufbau der LED-Ringbeleuchtung: Flexible Ansteuerung der LED-Segmente sowie individuelle Anpassung der Lichtfokussierung und Ausleuchtung.

Funktionsaufbau der LED-Ringbeleuchtung: Flexible Ansteuerung der LED-Segmente sowie individuelle Anpassung der Lichtfokussierung und Ausleuchtung.Büchner/Häusermann

Die flexibel ausrichtbaren Leiterplattensegmente erreichen die gleiche Stabilität wie separate mechanisch verbundene Teile, so dass sich deren Neigungswinkel auch bei starken Vibrationen nicht ändert. Im Fall von LED-Beleuchtungen wird so über eine Vielzahl von individuell ausrichtbaren Leiterplattensegmenten je nach Bedarf Licht gestreut oder fokussiert. Dadurch ergeben sich für den Lichtdesigner ungeahnte Möglichkeiten, die Lichtcharakteristik einer Leuchte und die Ausleuchtung von Objekten gezielt zu beeinflussen.

Ein Beispiel hierfür ist die LED-Ringbeleuchtung Corona-L für die industrielle Bildverarbeitung. Seit über 15 Jahren fertigt Büchner Lichtsysteme LED-Leuchten für die industrielle Bildverarbeitung und Automatisierung. Vorrangiges Ziel in diesem Projekt war, die optischen Eigenschaften zu optimieren und gleichzeitig eine besonders hohe Produktqualität zu gewährleisten. Die Herausforderung bestand darin, einen möglichst guten Wärmefluss von den LEDs zum Gehäuse zu realisieren und das trotz stark eingeschränktem Anteil an wärmeübertragender Fläche. Mit HSMtec ließ sich sowohl das Problem der lateralen Wärmeleitung im Board sehr gut lösen als auch weitere Bauteile und Montageaufwand ersetzen.

Zwei Ringe

Das Produkt besteht aus einem inneren und einem äußeren Leiterplatten-Ring. Die 16 anwinkelbaren selbsttragenden Platinensegmente des äußeren Ringes, mittels Kupferprofilen und Drähten mit dem inneren Ring verbunden, tragen 128 LEDs. Der massive Kupferquerschnitt der Profile und Drähte sorgt für eine sehr gute Wärmeführung von den LEDs zum inneren Ring, der die Wärme am Gehäuse beziehungsweise der Wärmesenke abgibt.

Die individuelle Abstrahlcharakteristik der Leuchte wird durch die Anpassung des Neigungswinkels (0°,15°, 30°, 45°, 60°) der einzelnen LED-Platinensegmente erzielt. Dadurch ist es möglich, die Fokussierung sowie die Ausleuchtung des Objektes an den individuellen Arbeitsabstand der Leuchte anzupassen. Dank der variablen Ansteuermöglichkeiten der einzelnen LEDs (segmentweise, ringweise) in Kombination mit vielfältigen Betriebsmodi der Leuchte (Dauer-, Schalt- und Blitzbetrieb) sind viele Einsatzszenarien mit unterschiedlichen Beleuchtungsintensitäten möglich. Die Lebensdauer der LEDs liegt bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C bei 50.000 bis 100.000 h.

Vielschichtiges Konzept

Bei der verwendeten Leiterplatte handelt es sich um einen vierlagigen Multilayer auf FR4-Basis, der 1,6 mm dick ist und einen Durchmesser von 149 mm aufweist. In diese HSMtec-Platine wurden 49 Kupferprofile mit einer Breite von jeweils 2 mm und 33 Drahtverbindungen mit einem Durchmesser von 0,5 mm integriert. Die Platine übernimmt hier eine große Vielfalt an Funktionen: Optimierte laterale Wärmeleitung über die Biegestellen zur Wärmesenke sowie elektrische Ansteuerung über die Biegestellen vom inneren Ring zum äußeren Ring, Lichtfokussierung (durch flexible Ausrichtung des Biegewinkels der Segmente des äußeren Ringes) und Stabilisierung der angewinkelten Teilflächen.

Verbundprojekt LEDagon

Das im Verbund konzipierte Projekt LEDagon basiert auf der Platinentechnik HSMtec.

Das im Verbund konzipierte Projekt LEDagon basiert auf der Platinentechnik HSMtec.Häusermann

Mit der Entwicklung des gemeinsamen Referenzdesigns LEDagon verknüpfen die Unternehmen Arrow Electronics, Cree, Häusermann und Kathrein-Austria ihr Know-how und komplexe Technologien zu einer neuartigen Lösung im LED-Lighting-Bereich. Anwender finden hier verschiedene Lighting-Technologien mit Wärmemanagement-Lösungen, innovativen Leiterplatten, Sensoren und anderen Elektronikkomponenten. LEDagon basiert auf der von Häusermann entwickelten Kupfer/FR4-Leiterplatten-Technologie HSMtec.

Zum Einsatz kommen eine on-Top angebrachte High-Power-LED XM-L von Cree mit bis zu 10 W und sechs Medium-Power-LEDs XT-E desselben Herstellers mit jeweils bis zu 3 W, deren rasche Abwärme durch die Kupferprofile in der HSMtec-Leiterplatte realisiert wird. Die individuell geformten, achteckigen Leiterplattensegmente sorgen dank der mehrdimensionalen Biegetechnik für photometrische Flexibilität und interessante optische Lösungen.

Querschnitt der LEDagon: Mit einem einfachen, flachen und insbesondere günstigen Kühlkörper lässt sich eine komplexe und mehrdimensionale LED-Struktur realisieren.

Querschnitt der LEDagon: Mit einem einfachen, flachen und insbesondere günstigen Kühlkörper lässt sich eine komplexe und mehrdimensionale LED-Struktur realisieren.Häusermann

Zudem verfügt der Demonstrator über eine intelligente Elektroniksteuerung und XLamp genannte Hochleistungs-LEDs von Cree, die über das System neue Anwendungsbereiche für die Beleuchtung mit LEDs aufzeigen sollen. 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 kapazitiven Tasten und Slidern ausgestattet. Eine Siebensegmentanzeige zeigt den aktuellen Betriebsmodus. 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 stellt eine Standard-DC-Stromversorgung sicher.