Leiterplatte für LED umschließt den Kühlkörper

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Das Wärmemanagement von Hochleistungs-LEDs auf einer Leiterplatte will gekonnt sein. Entwickler von Beleuchtungsanwendungen werden von einer individuell angepassten Leiterplatte unterstützt.

Matrixscheinwerfer mit LED passen das Lichtbild dem Fahrverhalten und der Umgebung an. Human Centric Lighting bietet biodynamisches Licht, das sich dem Menschen anpasst. Intelligente Straßenbeleuchtung verbessert die Lichtqualität und senkt Energie- und Betriebskosten. Während mit aktuellen LED-Techniken für Lichtdesignern ungeahnte Möglichkeiten bereit stehen, stellt das Wärmemanagement für die ultrahellen LEDs die Hardware-Entwickler und Leiterplattendesigner vor Schwierigkeiten.

Allein aus Kostengründen liegt es nahe, die Treiberelektronik der LED auf der gleichen Leiterplatte zu integrieren, anstelle zwei Boards mit Kabeln, Steckern oder SMD-Jumpern zu verbinden. Steuerelektronik und LEDs auf einer Leiterplatte zu designen spart nicht nur Platz, sondern auch Verbindungstechnik und/oder Montageschritte. Außerdem sinken Gewicht und Volumen der Baugruppe.

Anforderungen an die Leiterplatte

Allerdings darf die Leiterplatte die Leistungsfähigkeit der LEDs nicht einschränken. Die Leiterplattenkonstruktion, welche 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. Angepasste 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. Die Systemkosten senken.

Eine Einheitslösung gibt es 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 verschiedener Konzepte 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.

Co-Engineering ist gefragt

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. Im Design werden die späteren Fertigungskosten festgelegt. Das Applikationsteam schöpft aus verschiedenen Leiterplattentechniken seine Erfahrung. Gemeinsam mit den Hardwaredesignern können die Leiterplattenexperten das Konzept des Wärmemanagements zusammen mit den technischen und ökonomischen Vorgaben sowie der Einbausituation optimieren. Gleichzeitig lässt sich über eine mehrdimensionale Konstruktion der Montageaufwand senken und lichttechnische Effekte erzielen.

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

Das Ziel ist ein effektives Wärmemanagement

Effizientes Wärmemanagement ist Basis 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 Baugruppe lässt sich außerdem die Abwärme der LEDs durch ein durchdachtes Schaltungslayout von der Steuerelektronik entkoppeln.

Thermovias, also 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 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.

Zwei Dimensionen: Semiflex-Leiterplatten

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 ungefähr 150 µm abgefräst und die darauf platzierten Leiterbahnen mit Flexlack oder einer Deckfolie überzogen.

Die Semiflex-Leiterplatte wird als zweidimensionale Leiterplatte entworfen 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.

Das Beispiel mehrfarbiger Scheinwerfer

DLYX Simple Lighting heißt die von Klaus Schober entwickelte Eventbeleuchtung. Sie kombiniert Miniaturisierung mit hoher Lichtausstrahlung und Langlebigkeit. Die mehrfarbigen 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 Entwicklung stellt sich im praktischen Handling beim Aufbau bei einer Eventbeleuchtungen aufwendig dar, genauso, wie eine theoretische Steuerung der Leuchten per Funk oftmals fehleranfällig sein kann. Hier punktet die Lösung mit nur einer einzelnen Leitung. Die Steuerelektronik wird direkt bei den LEDs im engen Leuchten-Gehäuse untergebracht. Dazu mussten vier einzelne Leiterplatten über den Kühlkörper montiert und aufwendig miteinander manuell löttechnisch verbunden werden, wodurch hohe Produktionskosten entstanden.

Vier-Lagen-Multilayer

Die im Co-Engineering mit KSG neu designte Lösung, welche diese Problematik direkt behebt, ist ein Vier-Lagen-Multilayer mit einer Grundfläche von 137,24 mm x 100,2 mm und 10 mm x 10 mm großen Kupferprofilen sowie 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 W über das integrierte Kupferprofil.

Dieser Aufbau kühlt die Hochleistungs-LED mit vier Farben optimal. Die Verkabelung der Leuchten untereinander erfolgt lediglich über ein Kabel, welches 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 und Lichtführung

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

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

• Drei LEDs müssen in drei verschiedene 90° versetzte Richtungen leuchten.

• Die Leiterplatte soll die Wärme der drei LEDs zum rechteckigen Kühlkörper im inneren der Baugruppe ableiten.

• Die drei LEDs und die Steuerelektronik müssen sich auf einer Leiterplatte befinden und jede LED muss einzeln ansteuerbar sein.

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

Dieser Beitrag ist erschienen im Sonderheft LED- und OLED-Lichttechnik II der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF)

* Stefan Hörth arbeitet im Applikations- und Entwicklungsteam der KSG Austria.

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