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Modulare Power-LED-Leisten
Modulare Power-LED-Leisten im Regallager
Simulation einer Platine mit Wärmemanagement-Konzept
Simulation einer Platine ohne Wärmemangement
Die entstehende Wärme wird über drei verschiedene Wege abtransportiert: Strahlung, Konvektion und Konduktion
Thermovias, speziell für den vertikalen Wärmetransport.
Von Würth entwickelte Lasercavity-Methode
Doppelseitigen Leiterplatte für Hybrid-Beleuchtungen im Innenraum von Flugzeugen
Test-Leiterplatte von Würth
Standardmodule für Beleuchtungszwecke von Würth Elektronik

Der Trend zu immer leistungsstärkeren Leuchtdioden (LEDs) als Beleuchtungsmittel ist nicht zu übersehen. Trotz verbesserter Wirkungsgrade, wird auch bei LEDs noch ein großer Anteil der elektrischen Leistung in Wärme umgewandelt. Würth Elektronik hat ein cleveres Wärmemanagement-Konzept entwickelt, das die Wärme durch konstruktive Maßnahmen auf Leiterplattenebene direkt abführt, und so Hochleistungsbauelemente auf wirtschaftliche Weise vor Übertemperaturen schützt und damit einwandfreie Funktion und hohe Lebensdauer bietet.

55 Prozent der Ausfälle von elektronischen Baugruppen werden durch erhöhte Temperaturen verursacht, fand das US Air Force Avionics Integrity Program (AVIP) heraus. Erhöhte Wärmeverlustleistungen als Folge fortschreitender  Miniaturisierung und leistungsstärkerer Bauelemente, fordern insbesondere die Leiterplattenhersteller zunehmend heraus, so genannte Hotspots in den Griff zu bekommen. Denn es muss gewährleistet sein, dass Bauelemente wie etwa Leistungstransistoren oder Hochleistungsleuchtdioden auf einer Leiterplatte einwandfrei funktionieren. Bei LEDs wirken sich erhöhte Temperaturen  besonders drastisch aus, und zwar auf deren Helligkeit und Lebensdauer.

Leiterplatte und Wärmemanagement

Umso wichtiger ist ein intelligentes, effizientes Wärmemanagement der Leiterplatte, wie es Würth Elektronik anbietet, das ausreichende Zuverlässigkeit der Baugruppen garantiert, aber auch Kostenaspekte einbezieht.

Mit zunehmender Packungsdichte etwa bei LED-Flächendisplays und höherer Komplexität der Schaltungen kommt der Leiterplatte beim Wärmemanagement eine immer größere Bedeutung zu.

In der Praxis zeigt sich denn auch, wie konstruktive Maßnahmen auf Leiterplattenebene die Wärmeableitung optimieren, und so möglichen Ausfällen bzw. bei LEDs Veränderungen im Leuchtspektrum entgegenwirken. Hierbei müssen die Menge der abzuführenden Wärme, der verfügbare Platz, die Abmessungen und die Kontaktierungsart der Bauelemente sowie die Komplexität der Schaltung berücksichtigt werden.

Eine wichtige Kenngröße für die Beurteilung einer Applikation ist der thermische Widerstand entlang des Wärmepfades analog zum elektrischen Widerstand, wobei sich der Gesamtwiderstand aus den Einzelwiderständen von Bauteil, Aufbau- und Verbindungstechnik, Substrattechnik (z.B. Leiterplatte) und Kühlkörper zusammensetzt. Dieser thermische Widerstand sowie weitere Umgebungsbedingungen sind verantwortlich dafür, wie zuverlässig das Gesamtprodukt funktioniert und wie langlebig es ist.

Die entstehende Wärme wird über drei verschiedene Wege abtransportiert: Strahlung, Konvektion und Konduktion. Die Konstruktion der Leiterplatte nimmt dabei den größten Einfluss auf die Konduktion (Wärmeleitung).

Das Entwärmungskonzept von Würth Elektronik sieht grundsätzlich drei Maßnahmen vor, die applikationsspezifisch ausgewählt, kombiniert und optimiert werden können:

  • Bohren von Thermovias,
  • Wärmespreizung in Kupferflächen und
  • Heatsink in Form eines auflaminierten Aluminiumblechs.

Ziel ist, die Wärme möglichst schnell vom Bauelement (Wärmequelle) über einen thermisch gut leitenden Pfad zur Wärmesenke zu führen, die aus einer möglichst großen Oberfläche besteht. Erfahrungsgemäß wird eine optimale Entwärmung der Bauelemente erreicht, indem eine vertikale Wärmeleitung mittels Thermovias bei möglichst dünnen Leiterplatten kombiniert wird mit einer horizontalen Wärmespreizung in Kupferflächen und einem zusätzlichen Aluminiumblech als Heatsink.

Vertikaler Wärmetransport durch Thermovias

Thermovias (vertical interconnect access) nennen sich mechanisch gebohrte Durchkontaktierungen in der Leiterplatte, die speziell für den vertikalen Wärmetransport platziert werden. Sie können direkt unterhalb der Lötfläche des Bauelementes und/oder um das Bauelement herum angeordnet werden.

Standardmäßig setzt Würth Elektronik einen Lochdurchmesser von 0,35 mm bei einem Pitch von 0,8 mm an. Um die Wärmeableitung weiter zu erhöhen, wird die Innenwand der Durchkontaktierungen mit einer Kupferschichtdicke von mindestens 25 Mikrometer ausgestattet, sodass der Via-Enddurchmesser dann 0,3 mm beträgt.

Sitzen die Thermovias direkt unter dem Bauelement, empfiehlt es sich, die Durchkontaktierungen zu füllen und mit Kupfer zu verschließen („gepluggte“ Thermovias). So erreicht man eine gute Lötbarkeit der Bauelemente auf den Via-Flächen und es lässt sich damit verhindern, dass beim Lötprozess Lot in ungefüllte Vias hineinfließt und Lufteinschlüsse verursacht. Die eingeschlossene Luft dehnt sich im Lötprozess aus und kann eventuell dazu führen, dass Bauelemente nicht maßgerecht aufgelötet werden können.

Bei komplexen Leiterplattenschaltungen, die zur Entflechtung lasergebohrte Microvias einsetzen, erweist es sich in vielen Fällen als wirtschaftlich, auch für die Entwärmung Thermo-Microvias in Kombination mit Buried-Vias zu nutzen.

Würth Elektronik ist darauf bedacht, das Wärmemangement-Konzept immer so anzulegen, dass es für die Serienfertigung optimiert ist und eine Balance zwischen Wirtschaftlichkeit sowie technologischer Wirksamkeit und Zuverlässigkeit findet. Einige Anwender möchten beispielsweise die Thermovias mit Silberwärmeleitpaste füllen, um eine bessere Wärmeleitfähigkeit zu erhalten. Doch es hat sich in der Praxis herausgestellt, dass der Effekt der Wärmeleitpaste im Vergleich zum Kostenaufwand zu gering ist. Hier bieten sich andere Lösungen an, die den thermischen Widerstand bei adäquatem Kostenaufwand begünstigen: etwa indem die Kupferschichtdicke in der Durchkontaktierung geringfügig erhöht wird.

Horizontale Wärmespreizung durch Kupferflächen

Eine effektive horizontale Wärmespreizung kann sowohl durch Kupferflächen auf den Außenlagen sowie durch zusätzliche Innenlagen realisiert werden. Dabei verteilen diese Flächen die Wärme umso besser, je dicker sie sind. Lassen es die Leiterbahnstrukturen zu, sollte mit mindestens 70 ?m Kupfer gearbeitet werden.
Die weitere Ableitung der Wärme von der Rückseite der Leiterplatte erfolgt gegebenenfalls an das Gehäuse der Baugruppe. Luftspalte werden durch Interface-Materialien (TIM – Thermal Interface Materials) vermieden.

Heatsink-Technologie steigert Entwärmung

Eine spezielle, aber sehr effektive Möglichkeit die Entwärmung weiter zu steigern – etwa von LEDs – bietet die Heatsink-Technologie. Hierbei werden vorzugsweise dünne Leiterplatten mit Hilfe einer Wärmetransferkleberfolie großflächig auf ein Aluminiumblech (Heatsink) laminiert. Die Blechstärke ist applikationsspezifisch und variiert zwischen 1 und 4 mm. Hierdurch lässt sich die Wärme problemlos spreizen und weitergeben.

Eine Herausforderung ist die Trennbarkeit der bestückten Leiterplatte aus dem Aluminiumverbund. Würth Elektronik hat dafür unterschiedliche Lösungen parat wie zum Beispiel leicht trennbare Mikrostege, die genügend stabil, gleichzeitig aber leicht zu trennen sind. Das Heatsink kann je nach Applikation auch eine andere Form einnehmen etwa mit Kühlrippen versehen sein. Ebenso lässt es sich  mit Gewinde ausstatten und an das Gehäuse eines Gerätes schrauben. Dann dient das Gehäuse als zusätzlicher Kühlkörper.

Heatsink mit Kavität

Werden LED-Chips ungehäust auf Leiterplatten montiert, entfallen die thermischen Entlastungen über das LED-Gehäuse. Sie müssen dann komplett über die Leiterplatte erfolgen. Der Chip kann sowohl direkt auf der TOP-Lage als auch in einem Hohlraum, einer so genannten Kavität, platziert werden. Die einfachste Version ist eine Aussparung in der Leiterplatte, wobei der Chip direkt auf der Kupfer-Innenlage beziehungsweise der Kupfer-Bottom-Lage sitzt.

Eine spezielle und sehr innovative Ausführung dazu stellt die von Würth Elektronik entwickelte Lasercavity-Methode dar. Denn durch  Kombination von Lasercavity und Heatsink-Technologie lässt sich das Wärmemanagement noch weiter optimieren. Dabei kann die Rückseite des Chips, isoliert von der Heatsink-Platte, auf definiertem Potenzial liegen. Je nach Leiterplattenaufbau lassen sich unterschiedliche Niveaus herstellen.

Entwärmung von Getriebesteuerplatinen

Ein effizientes Wärmemanagement der Bauelemente auf Leiterplatten muss immer auf die jeweilige Applikation zugeschnitten sein, da hierbei viele verschiedene Faktoren berücksichtigt werden müssen. So erfordert es viel Erfahrung, die Entwärmung hinsichtlich ökonomischer als auch technologischer Aspekte zu optimieren.

Und hier sehen die Fachexperten des Leiterplattenherstellers Würth Elektronik eine ihrer Stärken. Zusammen mit dem Anwender erarbeiten sie ein optimiertes Entwärmungskonzept wie es etwa am Beispiel mehrlagiger Leiterplatten von Getriebesteuerungen umgesetzt wird. Die Platinen sind unter anderem mit leistungsstarken MOSFETs bestückt.

Eine Herausforderung liegt darin, dass die Getriebesteuerungen auch unter extremen klimatischen Bedingungen noch zuverlässig funktionieren müssen und Temperaturunterschiede von – 40 bis 125 Grad C bewältigen können. Erwärmung und Abkühlung im Wechsel bedeutet viel Stress für Materialien. Doch es dürfen weder Ausfälle bei elektrischen Durchkontaktierungen noch Delaminationen zwischen Leiterplatte und Heatsink entstehen. Hier erweist sich die Kombination von lasergebohrten Microvias und mechanisch gebohrten Buried-Vias sowohl zur Entflechtung als auch zur effektiven Entwärmung als geeignete Lösung.

Um unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Leiterplatte und Aluminium auszugleichen, werden die beiden Komponenten mittels eines dauerelastischen Wärmeleitklebers zusammengefügt. Diese innovative, wärmeableitungsoptimierte Leiterplattenlösung wird bereits seit mehreren Jahren in Serie produziert und hat sich ausgezeichnet bewährt.

LEDs und Wärmemanagement

Wertvolle Erfahrungen konnte Würth Elektronik bereits bei der Entwärmung von Leiterplatten sammeln, die mit Hochleistungsleuchtdioden, so genannten Power-LEDs, bestückt sind. Die LED-Technologie entwickelte sich vor allem in den vergangenen zehn Jahren rasant weiter und wird immer leistungsstärker, da für viele Anwendungen höhere Lichtausbeuten gefordert sind.

Aufgrund ihrer bestechenden Vorteile wie homogenes Licht, Langlebigkeit und geringe Ausfallraten, lösen LEDs immer öfter herkömmliche Beleuchtungstechniken ab. Ein viel versprechender Einsatzbereich ist die Verkehrstechnik: LED bestückte Verkehrsampeln, in den Boden eingebaute Blinkleuchten (Lane-Lights), LED-Straßenlampen. Doch auch die Automobilindustrie nutzt inzwischen LEDs als Front- und Heckleuchten in Fahrzeugen. Die zuvor eingesetzten Glüh- oder Gasentladungslampen werden sukzessive abgelöst.

Die Vorteile der LEDs gelten aber nur dann, wenn sie nicht überhöhten Temperaturen ausgesetzt sind. Je geringer die Wärmeentwicklung ist, umso stärker begünstigt es das temperaturabhängige LED-spezifische Langzeitverhalten etwa die Farbstabilität oder eine nahezu gleich bleibende Helligkeit über die gesamte Lebensdauer. Trotz verbesserter Wirkungsgrade, wird auch bei LEDs noch ein großer Anteil der elektrischen Leistung in Wärme umgewandelt. Hochleistungsleuchtdioden mit 10 W Leistung auf einer Chipfläche von 350 Mikrometer x 350 Mikrometer erreichen eine Flächenleistungsdichte von knapp 100 W/cm². Im Vergleich dazu liefert eine Herdplatte gerade mal bis zu 10 W/cm².

LED-Hybridbeleuchtung fürs Flugzeug

Power-LEDs machen ein effizientes Wärmemanagement auf der Leiterplatte unerlässlich. Zwar wird bei der Konstruktion der SMT-Gehäuse durch massive Kupferprofile oder Metallkerne unter dem Chip im kleinen Rahmen bereits thermisches Management betrieben, doch reicht das für die notwendige Wärmeabfuhr nicht aus. Erst durch die Wärmeübertragung in die Leiterplatte und die dortige Weiterleitung, kann die Wärme auf niedrigem Temperaturniveau an die Umgebung abgegeben werden.

Das ist beispielsweise beim Wärmemanagement-Konzept für die doppelseitige Leiterplatte von Hybrid-Beleuchtungen für den Innenraum von Flugzeugen der Fall: Die sehr hellen Luxeon-LEDs sorgen für eine hohe Wärmeentwicklung. Als Lösung bietet es sich hier an, zur vertikalen Entwärmung der LEDs direkt unter den Bauelementen Thermovias zu platzieren und über ein 1 mm starkes Aluminium-Heatsink eine effiziente horizontale Entwärmung zu bewirken. Dabei wird das Heatsink mittels einer speziellen Klebetechnologie blasenfrei auf die Leiterplatte geklebt. Auch diese Entwärmungslösung hat sich in der Praxis bestens bewährt.

Modulare Power-LED als Lichtleiste

Ein interessantes Applikationsbeispiel aus dem industriellen Sektor ist die modulare Power-LED-Lichtleiste für Linienbeleuchtung in rauer Industrieumgebung. Sie erzeugt ein intensives Linienlicht und ist daher besonders geeignet zum Ausleuchten von Objekten, die von einer Zeilenkamera erfasst werden sollen, zum Beispiel in Sortieranlagen oder von Bahneninspektionen.

Vorteile gegenüber sonst üblichen Leuchtstofflampen liegen in einer längeren Lebensdauer von bis zu 50.000 Stunden und einem geringeren Stromverbrauch. Hier ist die komplette Ansteuerelektronik zusammen mit den LEDs auf einer Leiterplatte untergebracht.

Gemeinsam mit der Dataschalt Sortiertechnik GmbH wurde ein Entwärmungskonzept ohne aktive Kühlung erarbeitet, das auf einer 4-lagigen Leiterplatte mit je 70 Mikrometer dicken Kupferlagen basiert. Die Lagen 2, 3 und 4 dienen ausschließlich der horizontalen Wärmespreizung und haben keine elektrische Funktion. Um das Konzept noch weiter zu verbessern, ist die Leiterplatte auf ein Aluminium-Heatsink geklebt. Für die vertikale Wärmeleitung  sorgen gefüllte und mit Kupfer verschlossene Thermovias.

Farbige Beschichtungen für LED-Applikationen

Aus optischen Gründen ist der standardmäßig grüne Lötstopplack in Anwendungen für Beleuchtungen und Anzeigen oft störend, weil entweder ein gleichmäßiger neutraler Untergrund gewünscht wird oder auch spektrale Verfälschungen durch das von der Leiterplatte reflektierte Licht vermieden werden sollen. Hier können Leiterplatten mit weißen oder schwarzen Beschichtungen gefertigt werden.

IMS-Materialien

Zurzeit werden häufig IMS-Materialien (Insulated Metallic Substrate) bei LED-Applikationen verwendet. Doch die zunehmend komplexer werdenden Layout-Anforderungen können nicht mit einseitigen Schaltungen realisiert werden. Genau in diese Kerbe schlägt Würth Elektronik mit seinem umfangreichen Know-how und dem vielseitigen Leiterplattenangebot.

Durch die Fertigungsstrategie „Leiterplatte + Klebetechnik + Heatsink“ ist es möglich, wesentlich komplexere Leiterplatten mit Heatsinks zu fertigen und mit einer effektiven Entwärmungstechnik zu kombinieren.

Sowohl für LED-Standardapplikationen als auch komplexe Anordnungen und Geometrien hat der Leiterplattenhersteller Lösungen parat: etwa Module auf Leiterplattenbasis mit Gelenkverbindungen in vielfältiger Form, die sich bei einfachster Montage und für sofortigen Einsatz vielseitig kombinieren lassen.

Oftmals müssen Anzeigen und Beleuchtungen in kleinen Gehäusen untergebracht werden wie etwa im Standard-Potenziometerknopf einer E-Gitarre oder in einem gewölbten Gehäuse. Dann empfehlen sich 3D-Lösungen in Starrflex oder Semiflex als optimale und zuverlässige Verbindungstechnologie.

Speziell für neue Bauformen von Hochleistungs-LEDs, die durch starke Lichtleistung und entsprechend hoher Wärmeverlustleistung gekennzeichnet sind, hat Würth Elektronik eine Leiterplatte entwickelt, die das Unternehmen für Testzwecke Anwendern zur Verfügung stellt.