LED Lighting - Intelligente Leiterplatten für innovative Anwendungen

Die rasante Entwicklung der LED-Beleuchtungstechnik stellt die Anbieter der einzelnen Komponenten eines LED-Leuchtkörpers vor eine Vielzahl an Herausforderungen. Immer höhere Leuchtintensitäten der LEDs, komplexe Steuerungsintelligenz, extravagante Designs sowie hohe Erwartungen an die Lebensdauer und Zuverlässigkeit sind nur einige Faktoren, die den Bedarf an High-Performance Leiterplatten aufzeigen.

Die HSMtec Leiterplatten-Technologie von Häusermann bietet ein hochentwickeltes Wärmemanagement und vielfältige Möglichkeiten, um diesen Herausforderungen gerecht zu werden. Auf Basis leistungsfähiger Materialien wie Kupfer und FR4 und eines bewährten Herstellungsverfahrens, ermöglicht HSMtec wirtschaftliche und zuverlässige Lösungen für individuelle Anforderungen.

• Hochentwickeltes Wärmemanagement
  
• Kupfer als leistungsstarke Basis für eine optimierte Leistungsfähigkeit
  
• Leistungsstarke Leiterplatten für Power-LEDs und Arrays
  
• 3D - All-in-One LED - Leiterplatten
  
• Integrierte Steuerungselektronik möglich
  

Wärmemanagement mit rasanter Wärmespreizung

Mittels Ultraschallverbindungstechnik werden externe Kupferteile in Form von Drähten oder Profilen direkt auf das Basiskupfer aufgetragen und mit handelsüblichem FR4-Basismaterial in die Leiterplatte eingebettet. Die verwendeten Materialien sowie die selektive Integration an jenen Stellen der Leiterplatte, an denen Wärme abgeführt werden soll, gewährleistet eine rasche Wärmeverteilung innerhalb der Leiterplatte und ein optimales Wärmemanagement.

In Kombination mit modernsten Leiterplatten-Technologien wie Microvias, Blindholes und Thermal Vias kann ein durchgängiger Kupferpfad zwischen der LED und dem Kühlkörper realisiert werden, wodurch sich typische thermische Engstellen, wie sie bei Metallkern-Leiterplatten auftreten, beseitigen lassen.

Abhängig von der Größe des vorgesehenen Footprints der LED können Kupferelemente einerseits direkt mit dem Lötpad der LED verbunden werden (siehe Abbildung), oder im Fall von sehr kleinen LED-Gehäusen über gefüllte Microvias.

Bei einer sehr kleinen Größe des LED-Gehäuses kann über Microvias eine direkte metallische Verbindung zu wärmeleitenden Kupferelementen hergestellt werden, 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.

Kupfer weist im Vergleich zu Aluminium die doppelte Wärmeleitfähigkeit auf (siehe Tabelle) und sorgt somit für eine schnelle Wärmeableitung ohne isolierende Zwischenschichten unterhalb des Heatpads der LED. Ein weiterer bedeutender Vorteil von Kupfer und FR4 sind die Wärmeausdehnungseigenschaften. Speziell in Verbindung mit Keramik-LEDs weisen Leiterplatten auf Kupfer- beziehungsweise FR4-Basis eine hohe Beständigkeit gegen thermische Beanspruchungen auf, die auf Umgebungs- beziehungsweise Betriebsbedingungen sowie weitere Temperaturzyklen zurückzuführen sind, welche durch eine intelligente Beleuchtungssteuerung (Schalten, Dimmen) verursacht wurden. Auf diese Weise kann die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der gesamten Beleuchtungseinheit im Vergleich zu üblichen Metallkern-Leiterplatten auf Aluminiumbasis deutlich erhöht werden.

Heute werden immer häufiger UHB-LEDs (Ultra High Brightness LEDs) mit bis zu zehn oder mehr Watt pro Gehäuse sowie LED-Arrays mit vielen eng nebeneinander platzierten LEDs angeboten.

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. Durch die Verwendung partiell eingebetteter Kupferteile direkt unterhalb des Heatpads der LED bietet HSMtec eine maximale thermische Performance.

Die Abbildung zeigt ein beispielhaftes LED - HSMtec-Modul, welches für eine Leistung von bis zu 200 Watt auf einer einzelnen Leiterplatte entwickelt wurde. Ein thermischer Vergleich zeigt, dass die maximale Performance in Relation zu guten Metallkernleiterplatten mit einer Isolationsschicht von nur 38µm Dicke und einer thermischen Leitfähigkeit von 3 W/mK um einen zusätzlichen Faktor > 3 verbessert werden kann.

Eine optimierte thermische Leistung und eine angemessene Anzahl von Lagen zur Herstellung aller elektrischen Verbindungen sind üblicherweise die wichtigsten Themen bei der Auswahl einer LED-Leiterplatte. Allerdings bieten Kupfer- und FR4-Leiterplatten noch wesentlich mehr Eigenschaften, die für weitere anspruchsvolle Anforderungen moderner LED-Beleuchtung von Bedeutung sind:

• Optische Flexibilität und individuelle Ausrichtung einzelner oder mehrerer LEDs
  
• Selbsttragende, stabile 3D-Strukturen ohne zusätzliche Montage
  
• Verwendung einfacher und günstiger Kühlkörper

Mit partiell eingebetteten Kupferteilen, die direkt auf die Kupferschichten einer FR4-Leiterplatte aufgebracht werden, können mehrdimensionale und sogar selbsttragende Leiterplatten entstehen.

Durch gefräste Kerben an den Sollbiegestellen wird eine unterschiedliche Ausrichtung der einzelnen Leiterplattensegmente gewährleistet, wodurch eine individuelle Ausleuchtungscharakteristik erreicht werden kann. Die Abbildung zeigt ein Beispiel für eine mehrdimensionale LED-Leiterplatte, die in einer Straßenlaterne zum Einsatz kommt, um eine optimierte Ausleuchtung zu erzielen.

Ein unübertroffener Vorteil dieser 3D-Leiterplatten ist die Anpassungsfähigkeit an spezielle Anwendungsbedingungen. Mit einem einzigen 3D-Leiterplatten-Design können daher je nach Einsatzort unterschiedliche Ausleuchtungen erzielt werden. Durch die eingebetteten Kupferteile kann der erforderliche Neigungswinkel einmalig eingestellt werden, wobei die Position der Segmente vibrationsfest beibehalten wird.

Des weiteren ermöglicht die partielle Integration von Kupferprofilen und Drähten auf handelsüblichen FR4-Leiterplatten eine vollständige Realisierung von elektrischen und thermischen Verbindungen über Biegestellen. Auf diese Weise kann ein durchgängiger Kupfer-Pfad realisiert werden, über welchen die Wärme innerhalb der Leiterplatte rasch zu einem zentralen Punkt abgeleitet wird, welcher wiederum mit einem Kühlkörper verbunden ist (siehe Abbildung).

So kann mit einem einfachen, flachen und insbesondere günstigen Kühlkörper eine komplexe und mehrdimensionale LED-Struktur realisiert werden.

Die eingebetteten Kupferdrähte oder -profile können somit gleichzeitig elektrische, thermische, optische und mechanische Funktionen erfüllen (Abbildung). Auf diese Weise können mehrdimensionale 3D-Leiterplatten komplexe Verkabelungen und einen hohen Montageaufwand ersetzen.

Da es im Hinblick auf Form, Komplexität und Funktionalität nahezu keine Einschränkungen gibt, stellt HSMtec die ideale Wahl dar, wenn es um ausgefallene Beleuchtungsdesigns und die Umsetzung innovativer Ideen und Konzepte geht.

In letzter Zeit nutzen die Entwickler von LED-Leuchten zunehmend die potentiellen Vorteile, welche die LED-Beleuchtungstechnologie im Vergleich zu älteren Leuchttechnologien bietet. LEDs erlauben eine gezielte Steuerung der Leuchtintensität und der Leuchtfarbe, ohne relevante Einbußen an Lebensdauer oder Zuverlässigkeit. Der LED-Treiber kann durch eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren und eine intelligente Steuerung angesteuert werden, welche von der exakten Tageszeit, dem Umgebungslicht, der Bewegung von Gegenständen,Tageslicht, Biorhythmus, Verkehr, der Anwesenheit von Personen sowie vielen anderen Parametern abhängen können.

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 ein hochleistungsfähiges Wärmemanagement in Kombination mit komplexer Steuerungselektronik sowie Sensoren auf der gleichen Leiterplatte miteinander zu kombinieren (siehe Abbildung oben). Für FR4-Leiterplatten ist dies ohne größeren Mehraufwand oder zusätzliche Kosten möglich.

Die in Zusammenarbeit mit Kathrein Austria, CREE und Arrow entwickelte Leuchte beinhaltet state-of-the-art Hochleistungs-LEDs, modernste Steuerintelligenz, sowie ein einzigartiges All-in-One Leiterplattenkonzept basierend auf "HSMtec" Technologie von Häusermann. Dieses ermöglicht höchste thermische Performance, flexible Lichtführung und Mechanik auf Grund eines mehrdimensionalen Aufbaues sowie ein individuelles Leuchtendesign.