Mehrdimensionale LED-Beleuchtung

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. Zwar hat die Leiterplatte ihr Schattendasein verlassen und ist in den letzten 20 Jahren rapide zu einem multifunktionalen Element innerhalb eines elektronischen Systems avanciert. Jedoch hat die Entwicklung von Leiterplatten-Technologien, welche die Realisierung hoher Ströme und effektiver Entwärmungskonzepte ermöglichen, in vielen Phasen in Einbahnstraßen geführt.

Eine solche Leiterplatte muss hohen Strömen trotzen und für die Entwärmung hitzeproduzierender Leistungsbauteile, sowie hochgetakteter Prozessoren sorgen können. Die von Häusermann konzipierte und vornehmlich für Hochstrom-Anwendungen entwickelte Wärmemanagement-Technologie HSMtec besticht durch ihre selbsttragenden mehrdimensionalen Konstruktionsmöglichkeiten. Mit ihr ist es möglich, hohe Ströme und die Hitzeentwicklung zügig auf zulässige Partial- und Systemtemperaturen zu drosseln.

HSMtec: Integrierte Kupferelemente

Die Technik, die nach DIN EN 60068-2-14 und JEDEC A 101-A qualifiziert und für Luftfahrt und Automotive auditiert ist, geht selektiv vor: Nur dort, wo tatsächlich hohe Ströme durch die Leiterplatte fließen sollen, wird das massive Kupfer – sei es als Profil oder in Drahtform – in die Leiterplatte integriert. Derzeit stehen 500 µm hohe Profile mit Breiten von 2,0 mm bis 12 mm in variabler Länge zur Verfügung und 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.

Dass dabei Kupfer zum Einsatz kommt, hat mehrere Gründe: Es weist im Vergleich zu Aluminium die doppelte Wärmeleitfähigkeit auf und sorgt somit für eine schnelle Wärmeableitung ohne isolierende Zwischenschichten unterhalb des Heatpads der LED. Ein weiterer Vorteil von Kupfer und dem Leiterplattenbasismaterial FR4 sind die Wärmeausdehnungseigenschaften: Speziell in Verbindung mit Keramik-LEDs weisen Leiterplatten auf Kupfer- bzw. FR4-Basis eine hohe Beständigkeit gegen thermische Beanspruchungen auf, die auf Umgebungs- oder Betriebsbedingungen und weitere Temperaturzyklen wie etwa für intelligente Beleuchtungssteuerungen zurückzuführen sind. Auf diese Weise lässt sich die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der gesamten Beleuchtungseinheit im Vergleich zu üblichen Metallkern-Leiterplatten auf Aluminiumbasis deutlich erhöhen.

Intelligentes Wärmemanagement

Ein effizientes Wärmemanagement der Bauelemente auf Leiterplatten muss immer auf die jeweilige Applikation zugeschnitten sein, da hierbei viele verschiedene Faktoren zu berücksichtigen sind. So erfordert es viel Erfahrung, die Entwärmung sowohl hinsichtlich ökonomischer als auch technischer Aspekte zu optimieren. HSMtec wurde von unabhängigen Prüfinstituten qualifiziert und setzt auf Standard-FR4-Material. Zudem wird es im Standard-Herstellungsprozess gefertigt und gewährleistet damit eine einfache Weiterverarbeitbarkeit.

Ein Blick auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit zeigt die Bedeutung des durchgängig metallischen Pfades von der Quelle bis zur Senke und das Leistungspotenzial von HSMtec. Kupfer leitet Wärme 1000-fach besser als FR4. Durch die intelligente 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. Im Fall von sehr kleinen LED-Gehäusen sorgen gefüllte Microvias für eine direkte metallische Verbindung zu wärmeleitenden Kupferelementen, deren Anbringung ca. 60 μm unterhalb der Deckschicht der Leiterplatte möglich ist. Im Vergleich zu Thermal Vias, die beispielsweise direkt unter Heatpads gesetzt werden, ist das Löten gefüllter Microvias problemlos möglich.

Die in Profil- oder Drahtform integrierten Kupferelemente stemmen Ströme von bis zu 500 Ampere. Dies stellt eine sinnvolle Alternative zu bisherigen Platinenlösungen dar, welche vollflächige bis zu 500 µm dicke Kupferlagen vorsehen oder kostenintensive IMS-Lösungen (Insulated Metal Substrate), die anstelle des üblichen Basismaterials meist massive Aluminiumkerne als Wärmeträger einsetzen. Darüber hinaus ermöglicht HSMtec die Kons-truktion von selbsttragenden mehrdimensionalen Leiterplatten. Kerbfräsungen an den Sollbiegestellen sorgen dafür, dass einzelne Segmente durch beliebige Einstellung des Neigungswinkels in die gewünschte Ausrichtung gebracht werden können.

LED und Steuerungselektronik auf einer Platine

LEDs erlauben eine gezielte Steuerung der Leuchtintensität und der Lichtfarbe, ohne relevante Einbußen an Lebensdauer oder Zuverlässigkeit. Der LED-Treiber lässt sich durch eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren und eine intelligente Steuerung 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 deutlich steigen. FR4-Leiterplatten erlauben zwar komplexe elektrische Verbindungen, bieten jedoch oftmals keine ausreichende thermische Performance. Die Verwendung 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 miteinander zu kombinieren. Für FR4-Leiterplatten ist dies ohne größeren Mehraufwand oder zusätzliche Kosten möglich. Denn mit HSMtec lassen sich feinste Strukturen, die für die Steuer-elektronik notwendig sind, einfach auf der gleichen Lage wie die 500 µm hohen Kupferelemente realisieren.

Hierzu sind keine zusätzlichen Softwaretools für das Design nötig. Die Standard-Layoutdaten für die Leiterplatte werden lediglich an Häusermann gesandt. Das HSMtec-Team unterstützt mit De-signvorschlägen, Layoutberatung oder Layouterstellung für Leiterplatten mit Hochstrom- und Entwärmungsanforderungen. Anhand einer großen Zahl von empirischen Untersuchungen konnte Häusermann sein Know-how in den Bereichen thermisches Management und Hochstrom auf der Leiterplatte erweitern: Die daraus gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen es, Kunden unkompliziert und aktiv bei der thermischen Dimensionierung und dem Design der Leiterplatte und Baugruppe zu unterstützen.

Verbundprojekt LEDagon

Mit der Entwicklung des gemeinsamen Vorzeige-Projektes LEDagon ist es den Unternehmen Arrow Electronics, Cree, Häusermann und Kathrein-Austria gelungen, umfassendes Know-how zu einer zukunftsweisenden Lösung im LED-Lighting-Bereich zu verknüpfen. Ziel ist es, verschiedene Technologien mit Thermal-Management-Lösungen, Sensoren und anderen Elektronik-Komponenten verständlich und unkompliziert zu verschmelzen.

LEDagon verfügt zudem über eine intelligente Elektroniksteuerung und XLamp-LEDs mit unterschiedlicher Lichtleistung von Cree. Mit dieser Kombination kann das System neue Anwendungsbereiche für die Beleuchtung mit LEDs aufzeigen. 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 Tasten und Slidern ausgestattet. Eine Siebensegment-Anzeige zeigt den aktuellen Betriebsmodus an. 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 wird über eine Standard-DC-Stromversorgung sichergestellt.

Um die Abwärme der on-Top angebrachten High-Power-LED XM-L von Cree mit bis zu 10 W und den drei Medium-Power-LEDs XT-E mit jeweils bis zu 3 W rasch an den auf der Platinenunterseite angebrachten Standard-Kühlkörper abzuleiten, kommen zwei 12 mm breite und 500 µm hohe Kupferprofile mit einer Länge von insgesamt 155 mm zum Einsatz, die direkt unter den LEDs mittels Ultraschallverbindungstechnik in den vierlagigen FR4-Multilayer integriert wurden. Da HSMtec selbsttragende mehrdimensionale Konstruktionsmöglichkeiten ermöglicht, lassen sich die einzelnen Leiterplattensegmente individuell in die gewünschte Einbaulage und Ausrichtung bringen. Dadurch ist ein durchgehender metallischer, thermischer Pfad vom Hotspot der seitlich angeordneten LEDs bis zur zentralen Wärmesenke auch über die Biegung hinweg gewährleistet. Thermo-Blindvias und mit Kupfer verfüllte Microvias mit 125 µm Durchmesser erlauben eine direkte Anbindung der LEDs an die massiven Kupferprofile und garantieren somit geringsten thermischen Widerstand der Leiterplatte.

Die individuellen, zu einem Oktagon geformten Leiterplattensegmente sorgen für photometrische Flexibilität. Diese absolute Designfreiheit sorgt überdies für interessante optische Lösungen, denn: Jedes einzelne LED-Segment lässt sich durch beliebige Einstellung des Neigungswinkels individuell ausrichten. Das Besondere an HSMtec bei mehrdimensionalen Anwendungen ist zudem, dass sich auf Grund der großen Kupferquerschnitte auch große Wärmemengen und/oder hohe Ströme über den Biegebereich abführen lassen. Andere Lösungen erreichen hier rasch ihre Grenzen. Schmale Luftschlitze an den Seiten ermöglichen die Luftzirkulation und somit einen lüfterlosen Betrieb des LEDagon-Demonstrators. Zur besseren Stabilität und Arretierung der Platinensegmente an die Bodenplatine kommen Leiterplatten-Stiftverbindungen zum Einsatz, die miteinander verlötet werden.

LEDagon demonstriert anschaulich, dass sich sowohl die LED als auch die benötigte Ansteuerungselektronik dank HSMtec auf ein- und derselben Leiterplatte unterbringen lassen, und dies bei optimaler thermischer Entkopplung: Insgesamt 42 integrierte Drahtverbindungen mit einem Durchmesser von 500 µm erlauben die Verbindung der einzelnen mehrdimensionalen Platinensegmente zur intelligenten Steuerung der einzelnen LEDs. Mit HSMtec ist es somit möglich, große Wärmemengen und/oder hohe Ströme von bis zu 500 A direkt innerhalb der Leiterplatte zu führen. Überdies kommt die gesamte Konstruktion ohne Kabel-, Steck- oder sonstige mechanische Verbindungen aus.

(jj)