Bild 1: Der wärmeleitfähige Kunststoff von 3M und die HSMtec-Leiterplatte von Häusermann ergänzen sich in dieser Beispielanwendung, um die LED zu entwärmen.

Bild 1: Der wärmeleitfähige Kunststoff von 3M und die HSMtec-Leiterplatte von Häusermann ergänzen sich in dieser Beispielanwendung, um die LED zu entwärmen. Häusermann

Der Demonstrator sieht aus wie eine LED-Taschenlampe, doch sein Aufbau unterscheidet sich von den bekannten Modellen: Das Gehäuse ist aus einem neuartigen Multifunktionskunststoff und glänzt reinweiß (Bild 1). Kein metallischer Reflektor, keine Schraub- oder Steckverbindungen – stattdessen ist das Gehäuse samt Kühlkörper an die LED-Baugruppe angespritzt. Das Umspritzen der Leiterplatte ist die Innovation, die Armin Kayser, Manager Product & Application Development in der 3M Advanced Materials Division in Kempten, mit dem Demonstrator zeigt. Damit gibt 3M Entwicklern und Herstellern von Leuchtkonzepten ein Rezept aus anerkannten Industrielösungen an die Hand und liefert die Experten für Kunststoff, Leiterplatte und Spritzgusstechnik dazu.

Das Ausgangsmaterial ist ein thermoplastischer Kunststoffcompound mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit von 7 W/m·K im Gegensatz zum Grundwerkstoff mit nur 0,3 W/m·K. Diesen hohen Wärmeleitwert bewirkt der Füllstoff 3M Boron Nitride Cooling Filler. „Bornitrid hat eine Wärmeleitfähigkeit bis 400 W/m·K bei höchsten elektrischen Isolationswerten“, erklärt Armin Kayser. Zugleich ist Bornitrid ein Trockenschmierstoff und hervorragend für die Verarbeitung im Spritzgussverfahren geeignet.

Eckdaten

3M kombiniert in der Industrie anerkannte Materialien, Prozesse und Technologien und erhöht damit die Systemintegration von LED-Anwendungen. Ein Demonstrator zeigt Entwicklern und Herstellern von Leuchtkonzepten gestalterische Möglichkeiten und die Kosten- und Prozessvorteile auf Systemebene.

Der Kunststoff wird direkt an die Leiterplatte angespritzt und erzeugt damit auch die Form von Gehäuse und Kühlkörper. Der Füllstoff Bornitrid ist neben den guten Entwärmungseigenschaften für die optische Reflexion des Kunststoffkörpers verantwortlich: mehr als 95 % Reflexion über das gesamte optische Spektrum des Kunststoffs macht einen metallischen Reflektor überflüssig.

Bild 2: Vergleich der Sperrschichttemperaturen der unterschiedlichen LEDs und Compounds.

Bild 2: Vergleich der Sperrschichttemperaturen der unterschiedlichen LEDs und Compounds. 3M

Thermischer Widerstand

Wie gut sich der Kunststoff für LED-Anwendungen eignet, veranschaulicht der Materialexperte anhand der Wärmeleitfähigkeit und des thermischen Verhaltens im Vergleich zu einem Kühlkörper aus Aluminium. Die Wärmleitfähigkeit von hochwärmeleitfähigen Kunststoffen (Bild 2) liegt zwar deutlich unter dem Wert von zirka 100 W/m·K für Aluminium-Druckguss. In der Anwendung ist jedoch nicht die Materialeigenschaft, sondern der thermische Widerstand des Gesamtsystems relevant.

Bei Aluminium steigt der thermische Widerstand durch die notwendige elektrisch isolierende Zwischenlage und dadurch bedingte Übergangswiderstände. In luftgekühlten Bauteilen ist zudem die Entwärmung begrenzt durch die geringe Wärmeübertragung an die Luft. In Summe ist der thermische Widerstand von Aluminium und kunststoffbasierten Kühlsystemen auf Basis hochwärmeleitfähiger Kunststoffe deshalb durchaus vergleichbar mit einer Widerstandsklasse von bis zu ungefähr 5 K/W.

Bild 3: Prinzip der Wärmespreizung mit HSMtec-Leiterplatten. Unter der LED platzierte Microvias leiten die Wärme zum Kupferprofil, das die Wärme zügig verteilt und gleichmäßig zum Kühlkörper leitet.

Bild 3: Prinzip der Wärmespreizung mit HSMtec-Leiterplatten. Unter der LED platzierte Microvias leiten die Wärme zum Kupferprofil, das die Wärme zügig verteilt und gleichmäßig zum Kühlkörper leitet. Häusermann

Den Kern des Demonstrators bilden LED und Steuerelektronik. Bei der Auswahl eines Schaltungsträgers kam für Kayser nur eine Leiterplatte in Frage, die alle geforderten Kriterien erfüllt: HSMtec von Häusermann. Der Kunststoffexperte erklärt warum: „Kupferkernleiterplatten haben den großen Vorteil der sehr guten Entwärmung und Wärmespreizung (Bild 3). Dadurch können Kunststoffcompounds mit Wärmleitfähigkeiten von 1 bis 10 W/m·K auch zur Entwärmung von elektrischen Komponenten mit sehr konzentrierter Wärmeentwicklung eingesetzt werden, wie im Beispiel von Leistungs-LEDs.“

Entwärmung per Leiterplatte

Die patentierte HSMtec-Leiterplatte ist qualifiziert nach DIN EN 60068-2-14 und JEDEC A 101-A und auditiert für Luftfahrt und Automotive. HSMtec ist ein Multilayer aus dem Standardmaterial FR4 mit Kupferelementen in den Innenlagen. Die Kupferprofile mit Breiten von 2 bis 12 mm und beliebiger Länge werden an den Stellen, wo sie die Wärme ableiten sollen, additiv zur Verstärkung der Leiterbahnen aufgebracht, zum Beispiel direkt unter einem LED-Hotspot. Die Kupferprofile sind mittels patentiertem Ultraschallverfahren stoffschlüssig mit dem geätzten Leiterbild der einzelnen Lagen verbunden. Nach dem Verpressen des Multilayers befinden sich die Kupferelemente etwa 60 µm unterhalb der Leiterplattenoberfläche. Die Weiterverarbeitung und das Bestücken der Leiterplatte erfolgt in den üblichen Standardprozessen.

Bild 4: Gleichmäßige Wärmeverteilung und effektive Wärmeabfuhr an die Umgebung bei λ = 4,0 W/m·K bei T = 40 °C Umgebungstemperatur und einer Verlustleistung der LED von P = 3,85 W sowie einem Wärmeübergangskoeffizienten α = 7 W/m·K.

Bild 4: Gleichmäßige Wärmeverteilung und effektive Wärmeabfuhr an die Umgebung bei λ = 4,0 W/m·K bei T = 40 °C Umgebungstemperatur und einer Verlustleistung der LED von P = 3,85 W sowie einem Wärmeübergangskoeffizienten α = 7 W/m·K. RF Plast

Die eingebetteten Kupferprofile haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 300 W/m·K, sie leiten daher die Wärme rasch und ohne Nadelöhr im thermischen Pfad von der LED ab und spreizen sie auf eine größere Fläche (Bild 4). Je nach thermischer Anforderung und Design lässt sich der Lagenaufbau für die Entwärmung mit Microvias, Thermovias (mit Kupfer durchkontaktierte Bohrungen wahlweise mit Wärmeleitpaste verfüllt), Sacklöchern und Buried Vias kombinieren. Direkt unter der LED können Microvias platziert und mit den Kupferprofilen kontaktiert werden.

Eine intelligente Kombination aus Kupferprofilen mit verschiedenen Vias sorgt beim Demonstrator für eine rasche Wärmespreizung und leitet die Wärme direkt in den angespritzten Kühlkörper, ohne zusätzliche Thermal-Interface-Materialien (TIM) und Zwischenschichten. Vorteil: Das Spritzgießen verhüllt die Vias direkt mit wärmeleitfähigem Kunststoff, was den thermischen Übergangswiderstand nochmals deutlich reduziert und gleichzeitig die Systemkosten senkt, da aufwendiges Pluggen von Vias mit Wärmeleitpasten oder ähnlichem entfallen kann.

Grundvoraussetzung für den Spritzgussprozess ist die hohe Stabilität und Temperaturbelastbarkeit der HSMtec-Leiterplatte. Eine herkömmliche FR4-Leiterplatte ohne Kupferprofile könnte sich beim Umspritzen durch Druck und Wärme unvorteilhaft verbiegen.

Integration fortsetzen

Der Aufbau mit HSMtec ermöglicht auch die Kombination von LED und Steuerelektronik auf einer Baugruppe. Diese Integration reduziert Platzbedarf, Gewicht und Volumen der Baugruppe. „Die Integration mit dem Kunststoff-Kühler ist eine logische Fortsetzung und erlaubt weitere erhebliche Kosten- und Prozessvorteile auf Systemebene“, betont Armin Kayser.

Mit Kerbfräsungen an den Sollbiegestellen lässt sich die Häusermann-Leiterplatte nach dem Bestücken biegen und in gewünschter Neigung einstellen. Die eingebetteten Kupferprofile erlauben selbsttragende mehrdimensionale Formen, wobei die Wärme gezielt über die Biegekante geführt wird. Pro Biegung sind Winkel bis ±90° möglich, damit lassen sich beliebig komplexe 3D-Geometrien aufbauen. Auch bei starken Vibrationen ändert sich der Neigungswinkel nicht. Diese Eigenschaft eröffnet gestalterische Freiheiten für Produktdesign und gezielte Lichtführung. Zum Beispiel, um mit der mechanischen Konstruktion das Licht zu streuen oder zu fokussieren.

Designmöglichkeiten

Die Freiheiten im Design sind neben der Leiterplatte auch dem Ausgangsmaterial zu verdanken: Die thermoplastischen Compounds lassen sich im Spritzgussverfahren sehr wirtschaftlich zu komplexen und filigranen Bauteilen verarbeiten. Die Designmöglichkeiten des Kunststoffspritzgusses sind nahezu unbegrenzt. „Eine Einschränkung sind sehr große Flächen zum Beispiel weit über 100 cm2. In solchen Fällen empfiehlt sich eher ein modularer Aufbau mit kleineren Leiterplatten“, erklärt Armin Kayser.

Bild 5: Die Infografik zeigt das Prinzip des Demonstrators für Leuchtobjekte.

Bild 5: Die Infografik zeigt das Prinzip des Demonstrators für Leuchtobjekte. Häusermann

Für das Werkzeugdesign, die Simulation und die Umspritzung der Leiterplatte des beschriebenen Demonstrators war die Firma RF Plast in Gunzenhausen zuständig. Da sich der Kunststoff thermoplastisch und abrasionsfrei verarbeiten lässt, sind keine Sondertechnologien notwendig. Die Verarbeitung erfolgt mit konventionellen Spritzgussanlagen und Spritzgusswerkzeugen. Durch die Wahl des Matrixpolymers kann man thermoplastische Compounds von elastisch bis hochsteif variieren. Kombiniert mit anderen Füllstoffen lassen sich die mechanischen Eigenschaften über ein sehr breites Anwendungsspektrum anpassen, sie erfüllen deutlich breitere Anforderungen als die alternativen Werkstoffe Metall oder Keramik. Eine Nachbearbeitung ist nicht erforderlich, da im Spritzgussverfahren sehr hohe Oberflächenqualitäten möglich sind.

An der Entwicklung und Fertigung des Demonstrators sind neben 3M (Projektleitung, Konzept und Durchführung) und Häusermann auch der Kunststoffspezialist Lehman & Voss, die Firma RF Plast sowie der EMS-Anbieter Dommel Industieelektronik beteiligt.