Mehr Designfreiheiten mit LEDs dank zuverlässigem Wärmemanagement

Leuchtendesigner kommen nicht mehr ohne sie aus: LEDs gelten als edel und schick, als langlebig und leuchtintensiv. Zudem erlauben sie ungeahnte Designmöglichkeiten. Maßgeblich für ihre Akzeptanz als Leuchtmittel ist die Lichtqualität: Die Anforderungen an Homogenität und Farbtemperatur sind hoch, denn das menschliche Auge nimmt bereits die Abweichung von einigen Kelvin als Farbunterschied wahr. Neben einer klugen Ansteuerungstechnik ist auch ein effizientes Wärmemanagement nötig, um das brillante Leuchten dauerhaft zu erhalten. Trotz verbesserter Wirkungsgrade wandeln LEDs noch immer ein Großteil der elektrischen Leistung in Wärme um.

Dies gilt umso mehr, als sich Arrays mit vielen eng nebeneinander platzierten Leuchtdioden zunehmend durchsetzen. Außerdem kommen vermehrt UHB-LEDs (Ultra High Brightness) mit bis zu zehn oder mehr Watt pro Gehäuse zum Einsatz. Da aktuelle High-Brigthness-LEDs für die Wärmeableitung lediglich eine vergleichsweise kleine Fläche von oft nur wenigen mm² haben, ist eine schnelle Wärmeableitung direkt unterhalb der LED ebenso wie ein möglichst geringer thermischer Widerstand der Leiterplatte wichtig.

Ungetrübtes Licht

Um eine Lichttrübung der LEDs zu vermeiden, sind konstruktive Maßnahmen auf Leiterplattenebene angesagt, die helfen, die Wärmeableitung zu verbessern, um so die LEDs im optimalen Bereich zu betreiben und Ausfällen oder Veränderungen entgegen zu wirken. Allerdings ist es nötig, die Menge der abzuführenden Wärme, den verfügbaren Platz, die Abmessungen und die Kontaktierungsart der Bauelemente sowie die Komplexität der Schaltung zu berücksichtigen. Erste Wahl beim Thema Wärmemanagement sind oft etablierte Leiterplattenverfahren wie Insulated Metal Substrate (IMS) auf Aluminiumbasis.

Jedoch gibt es mit HSMtec eine Wärmemanagement-Variante, die massive Kupferelemente selektiv in Standard-FR4-Leiterplatten integriert und damit die Hitzeentwicklung zügig auf zulässige Partial- und Systemtemperaturen drosselt. Nur dort, wo tatsächlich Wärme oder auch hohe Ströme durch die Leiterplatte fließen sollen, werden massive Kupferelemente – sei es in Profil oder in Drahtform – in die Leiterplatte integriert und zwar in jede beliebige Lage eines Multilayers. Weil Kupfer gut und schnell die Wärme ableitet, hat HSMtec beim Thermomanagement gegenüber IMS-Materialien die Nase vorn. Mehr noch: Durch die direkte Anbindung der LEDs an massives Kupfer mittels Microvia-Technik, lässt sich eine rasche Wärmespreizung und Ableitung von kleinen leistungsstarken LEDs  erzielen. Auf isolierende Zwischenschichten direkt unter der LED lässt sich damit verzichten.

Osram OS startet Testreihe

Verschiedene thermische Stresstests, die Osram Opto Semiconductor durchführte, bestätigen die Zuverlässigkeit von HSMtec-Platinen auf Kupfer- und FR4-Basis. Der Einfluss von Temperaturschwankungen auf die Zuverlässigkeit von LED-Platinen ist nicht unerheblich und hat mehrere Ursachen. Neben der eigenen Hitzeentwicklung der LED sorgen Umgebungsbedingungen, aber auch das häufige Schalten und Dimmen für hohe Temperaturzyklusbelastungen. Jene wechselnden Temperaturen sind oft die Ursache dafür, dass es zu einer Schädigung der Lötverbindung kommt, welche schlussendlich über einen Bruch oder Durchriss zum Ausfall der betroffenen LED beziehungsweise einer ganzen in Serie geschalteten LED-Kette führt.

Die Ursache hierfür ist in den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der üblicherweise verwendeten Metallkern-Leiterplatten auf Aluminiumbasis zu finden. Sie sind für die enormen Scherkräfte verantwortlich, die an der Lötverbindung zerren und damit auch die Zuverlässigkeit der gesamten Baugruppe beeinträchtigen können. In Thermozyklen zwischen -40 und +125 °C ermittelte man die Scherkräfte, die aufzuwenden sind, um die Lötkontaktierung zwischen LED und Leiterplatte zu lösen. Dabei zeigte sich, dass die Scherfestigkeit der Metallkern-Leiterplatten auf Aluminiumbasis bei 1500 Zyklen bereits unter 20 Prozent des Initialwertes sank, während die FR4-Leiterplatte stabile 80 Prozent an Scherfestigkeit aufwies.

Heiß-Kalt-Zyklus

In einem weiteren Temperaturwechseltest mit unterschiedlichen Temperaturzyklen, der bereits 2011 startete, wurde HSMtec klassischen FR4-Platinen mit Thermovias sowie typischen Metallkern- und Keramik-Leiterplatten-Varianten gegenübergestellt. Getestet wurde mit zwei unterschiedlichen Test-Leiterplatten, die mit den beiden gängigen leuchtstarken LED-Typen Ostar mit bis zu 12 W und Oslon mit bis zu 3 W bestückt waren. Beim Temperaturzyklustest von -40 bis +85 °C zeigten sich bei Metallkernplatinen auf Aluminiumbasis bereits erste Ausfälle der Lötverbindung nach nur 850 Zyklen, verursacht durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen des LED-Substrates und der Leiterplatte. Die getesteten HSMtec-Leiterplatten bewältigten, nach mehr als einem halben Jahr Testdauer, bereits mehr als 3000 Temperaturzyklen ohne Ausfall. Das Ergebnis überrascht insofern, als dass IMS-Modelle häufig erste Wahl für Wärmemanagement-Lösungen für den Einsatz von High-Power-LEDs sind, die Zuverlässigkeit jedoch unter den Erwartungen bleibt.

Bei dem für viele Outdooranwendungen typischen Temperaturschwankungsbereich zwischen 0 und 60 °C konnten die FR4 basierten Leiterplatten-Modelle mehr als 8000 Zyklen ohne Beeinträchtigung durchlaufen und liegen damit gleichauf mit der Leiterplatte mit Keramiksubstrat. Das ist bemerkenswert, als dass die Keramik-Platinen für Anwendungen mit hohen Verlustleistungen ausgelegt sind, wie sie Leistungshalbleiter aufweisen, aber im Vergleich zu FR4- oder Hoch-TG-FR4-Leiterplatten im hochpreisigen Segment angesiedelt sind. Hier macht sich der Vorteil von HSMtec bemerkbar, beruht es doch auf Standard-FR4-Basismaterial mit partiell integrierten massiven Kupferelementen.

Welche Lebensdauererwartung lässt sich aus den besagten 8000 Zyklen nun konkret ableiten? Ein Beispiel mit einer Straßenleuchte soll dies veranschaulichen: Geht man von einem einmal täglich stattfindenden Temperaturhub-Zyklus von 60 K (also beispielsweise von 0 auf 60 °C beim Einschalten der Außenleuchte bei kalten Witterungsbedingungen) aus, so kann für die Kombination einer HSMtec-Leiterplatte mit aufgelöteten üblichen Keramik-Substrat-LEDs mit einer gesamten Lebensdauer von mindestens 22 Jahren gerechnet werden. Bei einer Verringerung des maximalen Temperaturhubes, also einer Senkung der Junction-Temperatur, verlängert sich diese Lebensdauererwartung dementsprechend. Die hohe thermische Performance einer HSMtec-Leiterplatte trägt daher ebenso wie ein optimiertes Leiterplattendesign zu einer weiteren Verlängerung der Systemlebensdauer bei.

LED und Steuerungselektronik auf einer Platine

LEDs erlauben eine gezielte Regelung der Leuchtintensität und der Lichtfarbe ohne relevante Einbußen an Lebensdauer oder Zuverlässigkeit. Der LED-Treiber lässt sich durch viele unterschiedliche Sensoren und eine intelligente Regelung ansteuern. Oftmals erscheint eine Kombination von Steuerungselektronik und LEDs auf einer Leiterplatte aus wirtschaftlichen Gründen als nicht sinnvoll, da die Kosten typischer Metallkern-Leiterplatten beim Bedarf an mehreren Lagen steigen. FR4-Leiterplatten erlauben komplexe elektrische Verbindungen, bieten jedoch oftmals keine ausreichende thermische Performance.

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

Optional bietet HSMtec die Möglichkeit eine elektrische Isolationsschicht an der Leiterplattenunterseite zu integrieren, um eine zuverlässige Potentialtrennung zwischen LED und Kühlkörper, respektive Gehäuse zu realisieren. Die in Normen festgelegten Spannungsfestigkeiten bis über 4 kV lassen sich dadurch je nach Bedarf durch die Leiterplatte selbst erreichen, wodurch eine zusätzliche Aufbringung von isolierenden Folien entfallen kann. Im Gegensatz zu herkömmlichen Metallkernplatinen, bei denen eine adäquate Spannungsfestigkeit oft zu Lasten der thermischen Performance geht, ermöglicht HSMtec geringe thermische Widerstände in Kombination mit garantierten Spannungsfestigkeiten.

Zhaga-konform oder unendlich lang

HSMtec-PCBs kommen in dem Zhaga-Buch-3-konformen Multicolor-Beleuchtungsmodul Cogicore Z3-RGBW36 von Cogilux zum Einsatz. Es liefert bis zu 36 W Lichtleistung sowie dank eines integrierten Farbsensors konsistente Farbwiedergabe. Typische Anwendungsgebiete finden sich im Einzelhandel, wo das Modul mit seinem Leistungsverbrauch nebst seiner Einsatzdauer punktet. Es kann unförmige Scheinwerfer ersetzen, die kompliziert zu installieren sind und häufig als Fremdkörper wirken. Das Mikrocontroller-basierte Modul (32 Bit)  nutzt 18 rote, grüne, blaue und weiße Oslon-SSL-LEDs von Osram und kann das gesamte Farbspektrum wiedergeben. Die Ansteuerung erfolgt entweder über den kostengünstigen Cogi-DIM-Bus oder eine DMX512-Schnittstelle. Das ursprüngliche Buch 3 der Zhaga-Spezifikation beschreibt eine runde, Spot-Leuchte mit 50 mm Durchmesser und separater Elektronik. In den resultierenden 20 cm² ist kaum noch Platz für effizientes Wärmemanagement.

So eine verbesserte FR4-Leiterplatte eignet sich beispielsweise bei der Hinterleuchtung von Reklame- oder Anzeigetafeln. Für derartige Applikationen hat Cogilux das LED-Modul Cogistrip-M6 entwickelt, welches Osram-LEDs der Oslon-Serie mit 6 x 2 W oder 6 x 3 W und einem weiten Abstrahlwinkel von bis 150° verwendet. Die vierlagige Leiterplatte für die Treiberelektronik verfügt über integrierte Kupferprofile, die das Wärmemanagement der Hochleistungs-LEDs übernehmen. Durch den Einsatz des Thermomanagements in Verbindung mit einer direkten elektronischen Temperaturregelung kann die Lebensdauer von bis 100.000 Stunden auch in ungünstigen Einbausituationen bestehen bleiben. Dazu wird die LED-Temperatur direkt gemessen und die Leistung per Mikrocontroller entsprechend angepasst, so dass man die Werte der maximal zulässige LED-Die-Temperatur nicht überschreitet.

Hermaphroditische Stecker an beiden Enden ermöglichen die nahtlose Anreihung der Streifen ohne Werkzeug und Kabel. Zusätzliche Kontakte in IDC-Technik ermöglichen den steckerlosen Anschluss von Versorgungs- und Steuerleitungen. So lassen sich Leuchtschnüre von mehr als 50 Modulen zusammenstellen, die beispielsweise Anzeigetafeln an Flughäfen mit bis 80 m² gleichmäßig mit bis zu 3 kW Gesamt-LED-Leistung ausleuchten. In derartigen Anordnungen sind weder TIM-Materialien wie isolierende Folien noch Wärmeleitpasten zwischen Leiterplatte und Gehäuse sinnvoll, weshalb die di-elektrische Schicht direkt in die Platine integriert wurde. Drei Lagen sind dabei für das elektrische Layout gedacht, wobei alle Vias an der Unterseite der Leiterplatte enden. Somit sind direkte Verbindungen ohne zusätzliche TIM-Materialien realisierbar.

(rao)