Wie sich LED-Leiterplatten konstruieren lassen

Matrixscheinwerfer passen das Lichtbild dem Fahrverhalten und der Umgebung an. Human Centric Light-Systeme schaffen biodynamisches Licht zum Wohlfühlen in Innenräumen. Intelligente Straßenbeleuchtung verbessert die Lichtqualität und senkt Energie- und Betriebskosten. Während moderne Leuchtdioden Lichtdesignern ungeahnte Möglichkeiten eröffnen, stellt das Wärmemanagement für die ultrahellen LEDs Hardware-Entwickler und Leiterplattendesigner vor neue Herausforderungen. Allein aus Kostengründen liegt es nahe, die Treiberelektronik der LED auf der gleichen Leiterplatte zu integrieren, anstelle zwei Boards mit Kabeln, Steckern oder SMT-Jumpern zu verbinden.

Hotspots und Kosten

Steuerelektronik und LEDs auf einer Leiterplatte zu designen, spart Platz, Verbindungstechnik und/oder Montageschritte. Hinzu kommen reduziertes Gewicht und Volumen der Baugruppe. Allerdings darf die Leiterplatte die Leistungsfähigkeit der LEDs nicht einschränken. Die Leiterplattenkonstruktion, die die Funktion der gesamten Baugruppe maßgeblich bestimmt, muss daher fünf Kernanforderungen optimal abdecken:

• 1. hocheffiziente Wärmeableitung und gleichmäßige Wärmespreizung für maximale Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der LEDs als Grundvoraussetzung
• 2. hohe Packungsdichten auf kleinem Bauraum realisieren (Miniaturisierung)
• 3. intelligente Lichtsteuerung auf der gleichen Leiterplatte wie die LEDs, um unterschiedliche Lichtstimmungen zu erzielen und/oder die Beleuchtung an die jeweilige Situation anzupassen
• 4. Lichtlenkung und Lichtdesign für Funktion und Ästhetik flexibel umsetzen
• 5. Systemkosten senken

Eine Einheitslösung gibt es dabei nicht. Jedes Entwicklungsprojekt hat unterschiedliche elektrische, optische, mechanische, gestalterische und wirtschaftliche Ziele, eine andere Ausgangssituation und abweichende Randbedingungen. Bei KSG sind FR4-Multilayer die Basis für eine Vielzahl an unterschiedlichsten Lösungskonzepten für LED-Projekte. Damit stehen alle Möglichkeiten für intelligente sensorbasierte Lichtsteuerungen auf Basis einer kostengünstigen Standardleiterplatte und der Weiterverarbeitung dieser in etablierten Fertigungsprozessen der Baugruppenfertigung zur Verfügung.

Erfolgsschlüssel ist das Co-Engineering, bei dem die Applikationsingenieure des Leiterplattenherstellers gemeinsam mit dem Entwickler/Designer ein für die jeweilige LED-Beleuchtung optimiertes Design erarbeiten – denn bekanntermaßen werden im Design die späteren Fertigungskosten festgelegt. Das Applikationsteam schöpft aus verschiedenen Leiterplattentechnologien und viel Erfahrung. Gemeinsam mit den Hardwaredesignern können die Leiterplattenexperten das Thermokonzept unter Berücksichtigung der technischen und ökonomischen Vorgaben sowie der Einbausituation optimieren. Gleichzeitig können durch den Einsatz mehrdimensionaler Konstruktionen der Montageaufwand gesenkt und lichttechnische Effekte erzielt werden.

Für Anwendungen, bei denen ausschließlich die Lichtstärke im Fokus steht, genügt oftmals schon die Grundfunktion einer Leiterplatte, um ein effizientes Wärmemanagement für den zuverlässigen Betrieb der LEDs sicherzustellen. Im Extremfall müssen Entwickler verschiedene Maßnahmen exakt aufeinander abgestimmt kombinieren, um scheinbare Grenzen der Machbarkeit zu überschreiten.

Anforderungen an Leiterplatten für Lichtsteuerungen mit LEDs . KSG

Effizientes Wärmemanagement

Effizientes Wärmemanagement ist die Grundvoraussetzung für die temperaturempfindlichen Halbleiterbauelemente, da die meisten sehr hellen LEDs für die Wärmeableitung nur eine kleine Fläche bieten. Die Lösung ist ein wärmetechnisch optimiertes Leiterplattendesign mit einem auf die LED-Leistungsklasse und die jeweilige Applikation angepassten Lagenaufbau. Je nach Design und Anforderung wird der Lagenaufbau mit Microvias, Thermovias, Blind Vias (Sacklöchern) und Buried Vias (vergrabenen Vias) kombiniert. Für eine hohe Lebensdauer der LEDs lässt sich außerdem die Abwärme der LEDs durch ein durchdachtes Schaltungslayout von der Steuerelektronik entkoppeln.

Thermovias, mit Kupfer durchkontaktierte Bohrungen in der Nähe des Hotspots, unterstützen die Wärmeableitung von der LED über die Leiterplatte zum Kühlkörper. Eine höhere thermische Leistungsfähigkeit als klassische Thermovia-FR4-Leiterplatten erzielen gepluggte Thermovias oder kupfergefüllte Microvias mit integrierten massiven Kupferelementen. Die mit Wärmeleitpaste gefüllten Thermovias lassen sich dadurch direkt unterhalb der LEDs platzieren, wodurch der thermische Widerstand reduziert wird.

Die Wärmeableitung als auch die Wärmespreizung zugleich steigern massive Kupferelemente in den Multilayer-Innenlagen direkt unter einem LED-Hotspot. Nach dem Verpressen der Mulilayerlagen befindet sich das Kupfer etwa 60 µm unterhalb der Leiterplattenoberfläche. Für maximale Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit kombiniert man die Kupferelemente mit einem wärmetechnisch optimierten Lagenaufbau und entsprechend gesetzten Vias.

Systemkosten senken

Mit einer durchdachten Leiterplattenkonstruktion lassen sich auch die Gesamtkosten der Baugruppe senken, weil die spätere Montage oder Verbindung mit Steckverbindern und Kabeln entfallen. Eine günstige Alternative zum Verlöten oder Verkabeln starrer Leiterplatten bei statischer Biegebeanspruchung sind Semiflex-Leiterplatten. Ein FR4-Reststeg und Leiterbahnen stellen die Verbindung her.

Ausgangspunkt ist eine starre FR4-Leiterplatte. In den späteren flexiblen Bereichen wird das Basismaterial bis auf eine Dicke von ca. 150 µm abgefräst und die darauf platzierten Leiterbahnen mit Flexlack oder einer Deckfolie überzogen. Die Semiflex-Leiterplatte wird als zweidimensionale Leiterplatte layoutet, im Nutzen gefertigt und bestückt. Bei der Montage, dem Einbau in ein Gehäuse oder an einen Kühlkörper wird dann die Baugruppe in Form gebogen und in dieser Position fixiert.

Prinzip der Wärmeableitung über eine FR4-Leiterplatte. KSG

Ein Beispiel: DLYX Simple Lighting heißt die von Klaus Schober entwickelte Eventbeleuchtung, die Miniaturisierung mit starkem Lichtoutput kombiniert sowie robust und langlebig ist. Die mehrfärbigen Scheinwerfer selbst werden dabei untereinander sowie mit Bedienteil und Controller mit nur einer Leitung verbunden, welche Energie als auch Daten überträgt. Bei der ursprünglichen Lösung waren zur Ansteuerung der Scheinwerfer und LEDs separate Energie und Datenleitungen (Spannungsverteilung und DMX, Netzwerk bzw. Bussystem) erforderlich. Die Verkabelung einer solchen Lösung stellt sich im praktischen Handling beim Aufbau von Eventbeleuchtungen relativ aufwändig dar, genauso wie eine theoretische Steuerung der Leuchten per Funk oftmals fehleranfällig sein kann. Hier punktet die Lösung mit nur einer einzelnen Leitung. Um jedoch die dafür notwendige Steuerelektronik direkt bei den LEDs im engen Leuchten-Gehäuse unterzubringen, mussten vier einzelne Leiterplatten über den Kühlkörper montiert und aufwändig miteinander manuell löttechnisch verbunden werden, wodurch hohe Produktionskosten entstanden.

Die im Co-Engineering mit KSG neu designte Lösung, die diese Problematik direkt behebt, ist ein 4-Lagen-Multilayer mit 137,24 mm x 100,2 mm Grundfläche und 10 mm x 10 mm großen Kupferprofilen und drei Semiflex Biegestellen, welche die manuellen Lötverbindungen direkt ersetzen. Die Leiterplatte wird einseitig bestückt und im Anschluss rund um den Kühlkörper gebogen. Der Kühlkörper übernimmt die Wärme der Hochleistungs-LED mit 10 Watt über das integrierte Kupferprofil. Dieser Aufbau kühlt die Hochleistungs-LED (4 Farben) optimal. Die Verkabelung der Leuchten untereinander erfolgt lediglich über ein Kabel, das direkt per Wago-Klemme angeschlossen wird. Somit konnte diese Anwendung durch den Einsatz einer 3D-Multilayer Leiterplatte mit integriertem Dickkupfer optimal vereinfacht und die System- und Produktionskosten deutlich gesenkt werden.

Dreidimensionaler Aufbau

Die innenliegenden Kupferprofile für die Wärmeableitung der Power-LEDs bieten Lichtdesignern auch konstruktive Vorteile. Die massiven Kupferprofile eignen sich selbst direkt für Einmalbiegungen beim Einbau der Baugruppe. Sie sind selbsttragend und ermöglichen damit mehrdimensionale Leiterplatten um gezielte Lichtführung aufzubauen. Zugleich wird die Wärme über die Biegekante transportiert und in der Leiterplatte gespreizt. Individuelle Konstruktionen können das Licht mehrerer LEDs in bestimmte Richtungen lenken, also fokussieren, streuen oder den Abstrahlwinkel einer Glühlampe nachempfinden.

An der vom Kunden definierten Biegestelle werden im FR4 Kerbfräsungen ausgeführt. Nach dem Bestückvorgang werden die Segmente in die künftige Form gebracht. Biegewinkel bis ±90° sind möglich. Auch bei dieser Lösung wird eine zweidimensionale Leiterplatte gelayoutet, im Nutzen gefertigt, bestückt und dann erst für die Montage der Baugruppe in die dreidimensionale Form gebracht.

Bisher wurden vier starre Leiterplatten nach dem Bestücken miteinander montiert (links). Die neue Lösung nutzt drei Semiflex-Verbindungen (rechts). KSG

Das folgende Beispiel aus der Fahrzeugelektronik nutzt diese Konstruktion. Die Entwickler hatten drei Aufgaben zu lösen:

• 1. Drei LEDs müssen in drei verschiedene 90° versetzte Richtungen leuchten.
• 2. Die Leiterplatte soll die Wärme der drei LEDs zum rechteckigen Kühlkörper im Inneren der Baugruppe ableiten.
• 3. Die drei LEDs und die Steuerelektronik müssen sich auf einer Leiterplatte befinden und jede LED muss einzeln ansteuerbar sein.

Anstelle drei Leiterplatten nach der Bestückung mechanisch miteinander zu verbinden, wurde eine Leiterplatte mit integrierten Kupferelementen entwickelt und an zwei Stellen gebogen. Damit löst ein Board alle drei Aufgaben. Die Kupferelemente in Kombination mit Micro- bzw. Thermovias spreizen die Wärme durch die Leiterplatte und leiten sie an den Kühlkörper ab. Über zwei Biegestellen werden die LEDs in die erforderlichen Raumrichtungen gebracht und durch die selbsttragende Konstruktion die Baugruppe um den Kühlkörper gefaltet.

(pg)