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Wärmemanagement bei der LED Zuverlässig gekühlt bis in die dritte Dimension

Stefan Hörth *

Anbieter zum Thema

KSG Austria GmbH
Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH
CTX Thermal Solutions GmbH
Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Hochleistungs LEDs und Wärmemanagement auf engem Raum: Mit einer FR4-Leiterplatte lassen sich anspruchsvolle Leuchtendesigns mit LEDs entwickeln. Wir zeigen Ihnen die Vorteile.

Geeignete Leiterplatte: Für die Hintergrundbeleuchtung von Anzeigeflächen in Flughäfen (rechts) werden Cogistrip-Module vor Ort zu Leuchtschnüren aneinandergereiht und montiert (links)(Häusermann)
Geeignete Leiterplatte: Für die Hintergrundbeleuchtung von Anzeigeflächen in Flughäfen (rechts) werden Cogistrip-Module vor Ort zu Leuchtschnüren aneinandergereiht und montiert (links)
(Häusermann)

Bei Werbe- und Anzeigenflächen auf Flughäfen mit Größen von bis zu 80 Quadratmeter leuchtet das Billboard-Beleuchtungsmodul cogiSTRIP mit einer gesamten LED-Leistung von 3 kW. Das Einzelmodul besteht aus Osram-LEDs der Oslon-Serie mit 6 x 3 W und einem Abstrahlwinkel von bis zu 150° sowie hermaphroditischen Steckern an beiden Enden für die Versorgungs- und Steuerleitungen. Über die Steckkontakte können 50 und mehr LED-Module direkt vor Ort zu Bändern aneinandergereiht und an der gewünschten Frontfläche montiert werden.

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Die Besonderheit der Module ist die vierlagige FR4-Leiterplatte mit eingebetteten Kupferprofilen zur Wärmespreizung direkt unter den Hochleistungs-LEDs. Microvias stellen einen direkten Wärmepfad von der LED zum Kupferprofil her. Die in der Leiterplatte integrierte elektrische Isolationsschicht erreicht ohne zusätzliche isolierende Folien Spannungsfestigkeiten von über 4 kV. Da die Module vor Ort montiert werden, wäre ein anderer Aufbau mit zusätzlichen Wärmeleitpasten oder Folien zur mechanischen Befestigung der Platinen ungeeignet und nicht praktikabel.

Verschiedene Leiterplatten im Vergleich

Metallkern oder IMS-Leiterplatten (IMS: Insulated Metal Substrate) sind meist die erste Wahl als Schaltungsträger für Hochleistungs-LEDs, obwohl deren technische Möglichkeiten begrenzt sind. Beim Vergleich der Eigenschaften der IMS-Leiterplatte schneidet die HSMtec-Leiterplatte mehrfach besser ab:

  • Optimale Wärmespreizung: Das in IMS-Leiterplatten verwendete Aluminium hat eine Wärmeverteilung von 150 W/mK. die Wärmeleitfähigkeit der im FR4 eingebetteten Kupferprofile bei HSMtec ist mit 300W/mK doppelt so groß. Darüber hinaus gibt es keine isolierenden Zwischenschichten und somit Nadelöhre im thermischen Pfad.
  • Hohe Zuverlässigkeit: Osram OS bestätigt die Überlegenheit von HSMtec gegenüber IMS-Metallkernleiterplatten im Temperaturwechseltest. Der Aufbau erreicht mehr als die 3,5-fache Lebensdauer von Aluminium-Leiterplatten. HSMtec ist qualifiziert nach DIN EN 60068-2-14 und JEDEC A 101-A und auditiert für Luftfahrt und Automotive.
  • Große Designfreiheit: Steuerelektronik und LEDs lassen sich auf einem HSMtec-Board kombinieren. Der hohe Integrationsgrad reduziert den Platzbedarf, das Gewicht und Volumen der Baugruppe. Nach dem Bestücken kann die HSMtec-Leiterplatte gebogen und ein dreidimensionales Lichtdesign erzeugt werden.
  • Systemkosten gesenkt: Das Unterbringen der thermischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften in einer HSMtec-Leiterplatte reduziert die Kosten des Gesamtsystems. Kabel- und Steckverbindungen oder separate mechanische Befestigungen können entfallen. Darüber hinaus kommen kosteneffiziente Standardprozesse in der Leiterplattenfertigung, beim Layout der Leiterplatte sowie bei der Bestückung zum Einsatz.

Minimaler thermischer Widerstand zur Wärmesenke

Dank des direkten Platzierens der Kupferelemente an der Wärmequelle ist ein minimaler thermischer Widerstand zur Wärmesenke garantiert, wodurch die Wärme gezielt und zügig abgeleitet wird. Selbst bei ungünstiger Einbausituation beträgt die Lebensdauer 100.000 Stunden. Dazu wird die LED-Temperatur direkt gemessen und die Leistung über einen Mikrocontroller entsprechend angepasst, so dass die maximal zulässige LED-Temperatur nicht überschritten wird.

Der Schaltungsträger für das Beleuchtungsmodul cogiSTRIP ist eine HSMtec-Leiterplatte. Die patentierte HSMtec-Leiterplatte besteht aus dem Standard-Leiterplattenmaterial FR4 und Kupferelementen. Die Kupferelemente mit variablen Breiten von 2 bis 12 mm und individueller Länge werden an den Stellen, wo die Wärme abgeleitet werden soll, additiv zur Verstärkung der Leiterbahnen aufgebracht. Zum Beispiel direkt unter einem High-Brightness-LED-Hotspot. Mit einem patentierten Ultraschallverfahren werden die Kupferprofile stoffschlüssig mit dem geätzten Leiterbild der einzelnen Lagen verbunden. Nach dem Verpressen des Multilayers befinden sich die Kupferelemente im Innern der Leiterplatte.

Tipp: Lichtqualität und Lebensdauer der LED

Die Voraussetzung für eine konstante Lichtqualität und eine hohe LED-Lebensdauer ist ein gutes Wärmemanagement. Es braucht viel Erfahrung, um das Entwärmungskonzept für die technischen und ökonomischen Vorgaben auszuwählen und zu optimieren. Die Entwärmung steht und fällt mit dem richtig konzipierten Schaltungsträger. Das Potenzial der Leiterplattenkonstruktion lässt sich ausschöpfen und dabei Kosten sparen, wenn die konstruktiven Möglichkeiten in der frühen Entwicklungsphase genutzt und Designempfehlungen beachtet werden. Hier stehen die Leiterplattenhersteller zur Seite und bieten verschiedene Designvorschläge und beraten beim Layout.

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Die Kupfer-Profile oder Drähte können in jeden Multilayer aus FR4-Leiterplattenmaterial integriert werden. Nach dem Verpressen befinden sich die Kupferelemente etwa 60 µm unterhalb der Leiterplattenoberfläche. Das schafft Platz auf der Leiterplattenoberfläche und ermöglicht das Bestücken und Weiterarbeiten mit Standardprozessen. Der Lagenaufbau lässt sich je nach Design und Anforderung 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. Vorteil: Die Wärme wird rasch und ohne Nadelöhr im thermischen Pfad von der LED abgeleitet und im Kupferprofil gespreizt.

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