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Wärmemanagement bei der LED Wärmeleitfähige Kunststoffe und Elektronik clever kombiniert

| Autor / Redakteur: Stefan Hörth * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Wird ein thermoplastischer Kunststoff direkt um die LED-Leiterplatte gespritzt, lassen sich damit mechatronische Baugruppen einfach fertigen und entwickeln. Wir stellen solch ein Material am Beispiel einer LED-Taschenlampe vor.

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Bild 8: Die HSMtec-Leiterplatte (rechts) mit ihrer sehr guten Entwärmung und Wärmespreizung eignet sich optimal für das Umspritzen mit Kunststoff (links).
Bild 8: Die HSMtec-Leiterplatte (rechts) mit ihrer sehr guten Entwärmung und Wärmespreizung eignet sich optimal für das Umspritzen mit Kunststoff (links).
(Bild: RF Plast)

Eine Projektpartnerschaft zusammen mit dem Technologiekonzern 3M kombiniert in der Industrie anerkannte Materialien, Prozesse und Technologien. Leiterplatte, Kühlkörper, Steuerelektronik, Gehäuse und Reflektor verschmelzen zu einer Systemkomponente und reduzieren gleichzeitig die Anzahl der Fertigungsprozessschritte. Ermöglicht wurde das durch den Füllstoff Bornitrid für Kunststoffe. Vermarktet wird das Produkt unter dem Produktnamen „3M Boron Nitride Cooling Filler“ von 3M Technical Ceramics.

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Bornitrid bietet eine Wärmeleitfähigkeit bis 400 W/m·K bei hohen elektrischen Isolationswerten. Mit Zugabe von Bornitrid wird Kunststoff zu einem Wärmeleiter mit einer Wärmeleitfähigkeit bis 10 W/m·K. Zum Vergleich: Kunststoff hat im Ausgangszustand eine Wärmeleitfähigkeit von 0,2 W/m·K, was thermisch isolierend entspricht. Bornitrid ist ein Trockenschmierstoff und eignet sich für die Verarbeitung im Spritzgießverfahren.

Mit Bornitrid gefüllter Kunststoff ist elektrisch isolierend aber thermisch leitend und prädestiniert für das Spritzgießen. Der mit Bornitrid gefüllte thermoplastische Kunststoff wird direkt an die bestückte Leiterplatte gespritzt. In diesem Prozess werden Kühlkörper und Gehäuse um die Leiterplatte herum geschmolzen. Mechanische Verbindungen erübrigen sich. Die Gestaltungsmöglichkeiten sind vielfältig und der Einsatz der spritzgegossenen Elektronikmodule in der Kfz-Elektronik, LED-Beleuchtung oder der Leistungselektronik birgt viele Möglichkeiten.

Der Demonstrator ist eine LED-Taschenlampe

Um das Prinzip einer mit wärmeleitfähigem Kunststoff umspritzten Leiterplatte zu veranschaulichen, hat 3M mit seinen Projektpartnern als Demonstrator eine LED-Taschenlampe entwickelt. Zu den Partnern gehören der Leiterplattenspezialist Häusermann, der Experte für Kunststoffverarbeitung RF Plast und der Materialentwickler und -hersteller Lehmann&Voss&Co. Die eingesetzten LEDs in der Taschenlampe liefert Osram Opto Semiconductors.

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Gehäuse, Kühlkörper und Reflektor in einem

Der im Text vorgestellte Demonstrator einer LED-Taschenlampe veranschaulicht das Prinzip einer mit wärmeleitfähigen Kunststoff umspritzten LED-Leiterplatte inklusive einer Ansteuerelektronik. Der Vorteil: Der Kunststoff dient gleichermaßen als Gehäuse, Kühlkörper und Reflektor. Alle verwendeten Materialien, Prozesse und Techniken sind in der Industrie anerkannt und für das Verfahren aufeinander abgestimmt.

Das Beispiel der Taschenlampe zeigt Entwicklern und Herstellern von Leucht- und Lichtkonzepten, welche gestalterischen Möglichkeiten es gibt sowie die Kosten- und Prozessvorteile auf Systemebene.

Die LED-Taschenlampe besteht aus zwei Teilen: Aus einer im 90°-Winkel geknickten Leiterplatte mit LED und Ansteuerung und aus einem Kunststoffkörper, der im Spritzguss um die Leiterplatte gespritzt wird. Der Kunststoffkörper ist Gehäuse, Kühlkörper und Reflektor in einem. Die am Demonstrator gemessenen Temperaturen überzeugen: Die LED hat die Lichtleistung einer 40-W-Glühlampe und erwärmt sich auf unkritische 73 °C am LED-Halbleiterkristall sowie 40 °C am Gehäuse. Ohne das erwähnte Bornitrid, das die Wärme der LED verteilt und über den Kunststoff ableitet, würde die Temperatur bei gleicher Lichtleistung weit über 150 °C ansteigen und die LED überhitzen.

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