Bei dieser Leiterplatte für LEDs ist der ESD-Schutz bereits integriert

| Autor / Redakteur: Dr. Dieter Vogel * / Hendrik Härter

Integrierter ESD-Schutz: CeraPad ist ein dünnes, keramisches Trägersubstrat speziell für LEDs.
Integrierter ESD-Schutz: CeraPad ist ein dünnes, keramisches Trägersubstrat speziell für LEDs. (Bild: Epcos)

Längst ist die Leiterplatte kein reines Trägermaterial und immer mehr Funktionen sind direkt eingebettet. Speziell für LEDs gibt es ein keramisches Trägersubstrat, bei dem der ESD-Schutz bereits integriert ist.

Beleuchtungen in und am Gebäude basieren zunehmend auf LEDs. Auch in Fahrzeugen kommen die Halbleiter zum Einsatz. Obwohl eine LED energieeffizient ist, haben sie einen Nachteil. Wie alle Halbleiter sind sie gegenüber ESD besonders empfindlich.

Daher sind bei bisherigen Entwicklungen in Abhängigkeit von Serien- und Parallelschaltung der einzelnen LEDs entsprechende diskrete Schutzbauelemente nötig. Hierfür eignen sich TVS-Dioden oder – deutlich besser – platzsparende und preislich attraktive Vielschichtvaristoren aus der Serie CeraDiode des Herstellers Epcos. Sie kommen ohne temperaturabhängiges Derating aus und lassen sich mit einem Lötprozess statt aufwendigen Wirebonding auf der Leiterplatte montieren (Bild 1).

Dünnes Keramiksubstrat mit ESD-Schutz

Allerdings nutzt der diskrete Ansatz nur eine geringe Leiterplattenfläche für das eigentliche Leuchtmittel. Zudem behindert das verbaute Schutzbauelement, dass sich das Licht der LED optimal ausbreiten kann, womit die Effizienz der LED sich verschlechtert. Um diese Problematik zu lösen, hat TDK mit CeraPad einen neuen Ansatz gewählt. Eingeflossen ist die langjährige Erfahrung in der Entwicklung von miniaturisierten Vielschicht-ESD-Schutzbauelementen und LTCC-Substraten: CeraPad ist ein dünnes Keramiksubstrat mit integriertem ESD-Schutz.

In empfindlichen Anwendungen sorgt das Substrat so für einen hohen ESD-Integrationsgrad. Auf zusätzliche diskrete ESD-Bauelemente kann verzichtet werden. Dabei erhöht sich die Montagedichte der LEDs und die Substratfläche wird besser ausgenutzt. Durch den Wegfall der TVS-Dioden und Bonddrähten steigt die Zuverlässigkeit sowie den damit verbundenen kostenintensiven Bestückungs- und Prozessschritten. Das Bild 2 zeigt einen Schnitt durch das Trägermaterial.

CeraPad besser als Silizium basierende Zenerdioden

Der funktionale keramische Wafer bietet eine ESD-Festigkeit von bis zu 30 kV. Zum Vergleich: Zenerdioden bieten nur 8 kV. Darüber hinaus lassen sich damit kundenspezifische Chip Scale Packages (CSP) für LED-Standardelemente in den Bauformen CSP0707 bis CSP1515 mit einer wesentlich höheren Packungsdichte realisieren (Bilder 3a und b).

CeraPad bietet außerdem einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 6 ppm/K, der nahezu identisch ist mit dem von siliziumbasierten LEDs. Dadurch entstehen bei einem Temperaturwechsel keine kritischen mechanischen Spannungen zwischen Substrat und LED. Darüber hinaus zeichnet sich das Keramiksubstrat durch eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 22 W/mK aus, welche durch thermische Silber-Vias noch weiter gesteigert werden kann.

Ein weiterer Vorteil ist die Biegefestigkeit von 250 MPa bei einer Substratstärke von 300 bis 400 µm. Die Terminierungen des CeraPad können je nach Kundenanforderung sowohl für SAC-Standard-Reflow-Lötprozesse (SAC: Sn/Ag/Cu, 260 °C) als auch für eutektisches Bonden (AuSn, 320 °C) ausgelegt werden.

Adaptives Fahrlicht durch LED-Matrix-Arrays

Das CeraPad eignet sich nicht nur als Trägersubstrat für LED-Dies mit integriertem ESD-Schutz, sondern kann, ähnlich wie eine konventionelle Leiterplatte, gleichzeitig auch als Umverdrahtungsebene genutzt werden. Bis zu zehn solcher Umverdrahtungsebenen lassen sich realisieren. Einbußen bei der thermischen Performance gibt es keine. Zum Vergleich: Mit konventionellen IMS = Isolated Metal Substrate sind nur fünf Umverdrahtungsebenen sinnvoll realisierbar, wobei mit jeder zusätzlichen Ebene die thermische Leitfähigkeit sukzessive abnimmt. Somit ist es möglich, auf dem CeraPad-Substrat bis zu 1000 dicht gepackte LEDs zu platzieren, die individuell und einzeln ansteuerbar sind (Bild 4).

Entwickler können hochauflösende Lichteffekte auf engen Raum realisieren, wie etwa in Multi-LED-Blitzlichtern von Smartphones, Kfz-Innenbeleuchtungssystemen und in adaptiven Frontscheinwerfern zur Verbesserung der Insassensicherheit. CeraPad ist eine Erweiterung des CeraDiode-Portfolios, das keramische ESD-Schutzbauelemente mit Wafer-Technik sowie modulare Lösungen umfasst. Dank des Substrats sind bessere kundenspezifische Packages möglich, um das Licht-Design zu optimieren und die Lichtausbeute von LEDs weiter zu steigern.

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* Dr. Dieter Vogel arbeitet bei TDK im Product Marketing Multilayer Piezo and Protection Devices.

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