Leiterplattentechnik

Mehrdimensionales und effizientes Wärmemanagement

31.07.12 | Autor / Redakteur: Stefan Hörth * / Kristin Rinortner

Wärmemanagement in der Leiterplatte: Die Hitze dicht gepackter LED-Arrays vermag die HSMtec-Platinentechnik rasch abzuleiten, so dass die Leuchtkraft wie hier für den LED-Bühnenscheinwerfer SpectraWow+ von LDDE lang erhalten bleibt
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Wärmemanagement in der Leiterplatte: Die Hitze dicht gepackter LED-Arrays vermag die HSMtec-Platinentechnik rasch abzuleiten, so dass die Leuchtkraft wie hier für den LED-Bühnenscheinwerfer SpectraWow+ von LDDE lang erhalten bleibt (Bild: Häusermann)

Mit der Leiterplattentechnik HSMtec lässt sich die Hitzeentwicklung auf zulässige Partial- und Systemtemperaturen reduzieren. Zudem sind selbsttragende mehrdimensionale Konstruktionen möglich.

Ungebremst schreitet die Miniaturisierung voran: Wahre Größe offenbaren elektronische Geräte in ihrer steten Verkleinerung trotz kontinuierlich erweiterter Leistungsmerkmale. Diese Entwicklung ist nur mit Hilfe ebenfalls stark verkleinerten Komponenten und Bauteilen möglich. Dem Schrumpfungsprozess unterliegen Leistungshalbleiter genauso wie die an Leuchtkraft zunehmenden LEDs. Beide haben gemein, dass sie eine nicht unerhebliche Verlustleistung entwickeln, die als Wärme freigesetzt wird.

So wird bei LEDs trotz ihrer verbesserten Wirkungsgrade noch ein großer Anteil der elektrischen Leistung in Wärme umgewandelt. Zudem kommen immer häufiger UHB-LEDs (Ultra High Brightness LED) mit bis zu zehn oder mehr Watt Wärmeleistung pro Gehäuse zum Einsatz. Bedenkt man, dass die meisten UHB-LEDs für die Wärmeableitung lediglich eine Fläche von nur wenigen mm² bieten, ist eine schnelle Wärmeableitung direkt unterhalb der LED ebenso wie ein möglichst geringer thermischer Widerstand der Leiterplatte von großer Bedeutung.

Das umso mehr bei LED-Arrays mit ihren vielen eng nebeneinander platzierten LEDs, die breit abstrahlende Lichtkreationen ermöglichen und sowohl im Farblichtbereich als auch in der Weißlichtmischung gute Ergebnisse erzielen. Ein Beispiel hierfür ist der LED-Scheinwerfer SpectraWow+ von LDDE, der in der additiven Farbmischung neue Maßstäbe setzen soll. Damit steht ein funktionaler Bühnen- und Architekturscheinwerfer mit integriertem RGB-Farbmischsystem zur Verfügung. Der Scheinwerfer ist mit einer 40-W-High-Power-Engine als RGB bzw. in weiß mit einer Farbtemperatur von 3200 und 5700 K erhältlich. In Kombination mit einer speziellen Bienenwabenlinse leuchtet dieser Scheinwerfer sehr gleichmäßig. Für die Leuchtkraft sorgt ein 28 mm x 28 mm großes LED-Array auf dem 33 High-Brightness-LEDs mit je 2 W Leistung montiert sind. Dabei handelt es sich um die Typen XP-E-RGB aus der XLamp-Serie von Cree.

Mit der zunehmenden Leistungsfähigkeit der Leuchtdioden wachsen auch die Ansprüche der Lichtdesigner und Lichtgestalter. Immer höhere Leuchtintensitäten, komplexe Steuerungsintelligenz, extravagante Designs sowie hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit sind nur einige Faktoren, die den Bedarf an High-Performance-Leiterplatten aufzeigen. Ein intelligentes, effizientes Wärmemanagement der Leiterplatte – das möglichst platzsparend ist und den Trend der Miniaturisierungsbestrebungen mitträgt – ist daher unabdingbar, jedoch stellt dies eine große Herausforderung bei Leiterplatten dar. Die Platinentechnik HSMtec schafft Abhilfe.

Integrierte Kupferelemente für gezielte Entwärmung

Bei der Lösung werden Drähten und Profilen in die Leiterplatte integriert. Damit lassen sich hohe Ströme und die gezielte Entwärmung von elektronischen Baugruppen mit konventionellen FR4-Leiterplatten realisieren. Wichtig ist, dass die übrige Leiterplattentechnik unberührt bleibt und dass keine zusätzlichen Softwaretools für das Design notwendig sind. Die Technik stellt eine sinnvolle Alternative zur kostenintensiven Dickkupfer- und aufwändigen Stanzgitter-Technik oder zu IMS-Lösungen (Insulated Metal Substrate) dar, die anstelle des üblichen Basismaterials meist massive Aluminiumkerne als Wärmeträger einsetzen.

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Kupfer inside

Die Profile gibt es in den Breiten von 0,5 bis 12 mm und in beliebiger Länge. Bei Drähten hat sich der Durchmesser von 500 µm etabliert. Den üblicherweise verwendeten Kupferkaschierungen von 70 bzw. 105 µm gegenübergestellt, wartet die HSMtec mit der Besonderheit auf, dass die Drähte und Profile ausschließlich bei den Strom führenden Leitungen Verwendung finden, während die restliche Fläche unverändert mit beispielsweise 70 µm realisiert ist.

Voraussetzung dafür ist, dass die Drähte und Profile in das Leiterbild und in die notwendigen Anschlussflächen bzw. Hülsen mittels stoffschlüssiger Verbindungstechnik integriert sind. Die stoffschlüssige Verbindung erfolgt mittels Ultraschallschweißen. Dabei lässt sich das Einbetten der massiven Kupferelemente, egal ob Draht oder Profil, in nur einem Multilayer-Presszyklus bewerkstelligen. Selbst bei versetzt gegenüberliegenden Strukturen genügt ein Presszyklus.

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 gegenüber thermischen Beanspruchungen auf.

Bild 2: Vergleich von herkömmlichen Zweiplatinenlösungen mit Häusermanns FR4/Kupfer-Kombination
Bild 2: Vergleich von herkömmlichen Zweiplatinenlösungen mit Häusermanns FR4/Kupfer-Kombination

Auf diese Weise lässt sich die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der gesamten Beleuchtungseinheit im Vergleich zu üblichen Metallkern-Leiterplatten auf Aluminiumbasis deutlich erhöhen. Einen Vergleich verschiedener Lösungen zeigt Bild 2.

Intelligente Lösung für das Wärmemanagement

Ein Blick auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit zeigt die Bedeutung des durchgängig metallischen Pfades von der Quelle bis zur Senke. Kupfer leitet Wärme 1000-fach besser als FR4. Durch die Kombination von integrierten Kupferprofilen mit modernen Leiterplattentechnologien wie Micro- und Thermovias lässt sich eine direkte metallische Ankontaktierung der Lötflächen (Bauteile, Kühlkörper) an die Profile 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, die ca. 60 μm unterhalb der Deckschicht der Leiterplatte angebracht werden können. Im Vergleich zu Thermal Vias, die beispielsweise direkt unter Heatpads gesetzt werden, ist das Löten gefüllter Microvias problemlos möglich.

Anhand einer großen Zahl von empirischen Untersuchungen konnte Häusermann sein Knowhow in den Bereichen thermisches Management und Hochstrom auf der Leiterplatte umfangreich erweitern: Die daraus gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen es, Kunden unkompliziert und aktiv bei der thermischen Dimensionierung und dem Design der Leiterplatte und der Baugruppe zu unterstützen.

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.

Bild 1: Biegestelle mit Kerbfräsungen: Die integrierten Drähte bzw. Profile erlauben die Konstruktion von selbsttragenden mehrdimensionalen Leiterplatten sowie das gezielte Führen von Wärme und hohen Strömen über die Biegekante
Bild 1: Biegestelle mit Kerbfräsungen: Die integrierten Drähte bzw. Profile erlauben die Konstruktion von selbsttragenden mehrdimensionalen Leiterplatten sowie das gezielte Führen von Wärme und hohen Strömen über die Biegekante (Bild: Häusermann)

Darüber hinaus ermöglicht die Lösung die Konstruktion 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 (Bild 1). Die selektiv vorgehende Technik ist nach DIN EN 60068-2-14 und JEDEC A 101-A qualifiziert und für Luftfahrt und Automotive auditiert.

Selbsttragende, mehrdimensionale Konstruktionen

Durch ihre selbsttragenden mehrdimensionalen Konstruktionsmöglichkeiten vereint die Systemlösung die Anforderung nach verbessertem thermischem Management, gepaart mit Energieeffizienz sowie mechanischer und photometrischer Flexibilität elegant in einer Platine.

Die flexibel ausrichtbaren Leiterplattensegmente erreichen die gleiche Stabilität wie separate, mechanisch verbundene Teile, so dass sich deren Neigungswinkel auch bei starken Vibrationen nicht ändert. Im Fall von LED-Beleuchtungen wird so über zahlreiche individuell ausrichtbarer Leiterplattensegmente je nach Bedarf Licht gestreut oder fokussiert. Dadurch ergeben sich für den Lichtdesigner verschiedene Möglichkeiten, die Lichtcharakteristik einer Leuchte bzw. die Ausleuchtung von Objekten gezielt zu beeinflussen.

Bild 3: Detailansicht der LED-Ringbeleuchtung: Gut zu sehen sind die individuell verstellbaren Platinensegmente des äußeren Ringes
Bild 3: Detailansicht der LED-Ringbeleuchtung: Gut zu sehen sind die individuell verstellbaren Platinensegmente des äußeren Ringes (Bild: Häusermann)

Ein Beispiel hierfür ist die LED-Ringbeleuchtung „Corona-L“ für die industrielle Bildverarbeitung. Seit mehr als 15 Jahren fertigt Büchner Lichtsysteme LED-Leuchten für die industrielle Bildverarbeitung und Automatisierung. Vorrangiges Ziel in diesem Projekt war, die optischen Eigenschaften zu optimieren und gleichzeitig eine besonders hohe Produktqualität zu gewährleisten. „Corona-L“ besteht aus einem inneren und einem äußeren Leiterplatten-Ring (Bild 3).

Individuell verstellbare Platinensegmente

Die 16 anwinkelbaren selbsttragenden Platinensegmente des äußeren Ringes, mittels Kupferprofilen und Drähten mit dem inneren Ring verbunden, sind die Träger der 128 LEDs. Der massive Kupferquerschnitt der Profile und Drähte sorgt für eine sehr gute Wärmeführung von den LEDs zum inneren Ring, wo die Wärme zum Gehäuse bzw. der Wärmesenke abgegeben wird.

Die individuelle Abstrahlcharakteristik der Leuchte wird durch die Anpassung des Neigungswinkels (0°, 15°, 30°, 45°, 60°) der einzelnen LED-Platinensegmente erzielt. Dadurch ist es möglich, die Fokussierung sowie die Ausleuchtung des Objektes an den individuellen Arbeitsabstand der Leuchte anzupassen.

Zusätzlich gewährleisten variable Ansteuermöglichkeiten der einzelnen LEDs (segmentweise, ringweise) in Kombination mit vielfältigen Betriebsmodi der Leuchte (Dauer-, Schalt- und Blitzbetrieb) eine große Bandbreite unterschiedlicher Einsatzmöglichkeiten sowie eine Anpassung der Beleuchtungsintensität an die jeweiligen betrieblichen Gegebenheiten. Die Lebensdauer der LEDs liegt bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C zwischen 50.000 und 100.000 Stunden.

Bild 4: Kupferprofile und Drähte auf Innenlage
Bild 4: Kupferprofile und Drähte auf Innenlage (Bild: Häusermann)

Bei der verwendeten Leiterplatte handelt es sich um einen vierlagigen Multilayer auf FR4-Basis, der 1,6 mm dick ist und einen Durchmesser von 149 mm aufweist (Bild 4). In diese Platine wurden 49 Kupferprofile mit einer Breite von jeweils 2 mm und 33 Drahtverbindungen mit einem Durchmesser von 0,5 mm integriert.

Die Platine übernimmt hier zahlreiche Funktionen: Optimierte laterale Wärmeleitung über die Biegestellen zur Wärmesenke sowie elektrische Ansteuerung über die Biegestellen vom inneren Ring zum äußeren Ring, Lichtfokussierung (durch flexible Ausrichtung des Biegewinkels der Segmente des äußeren Ringes) und Stabilisierung der angewinkelten Teilflächen. //

* * Stefan Hörth... ist Product Manager HSMtec von Häusermann in Gars am Kamp/Österreich.

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