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Wärmemanagement bei der LED

Zuverlässig gekühlt bis in die dritte Dimension

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Gute Wärmespreizung und hoch zuverlässig

Die HSMtec-Leiterplatte ist eine attraktive Alternative zur Metallkern- oder IMS-Leiterplatte (IMS: insulated metal substrate) als Schaltungsträger für LEDs. Die IMS-Leiterplatte besteht aus einer Layoutlage bzw. Leiterzugsebene aus Kupferkaschierung, einer Isolationsschicht sowie einer Trägerlage bevorzugt aus Aluminium zur bestmöglichen Wärmeableitung.

Aluminium hat eine Wärmeleitfähigkeit von 150 W/mK. Dagegen ist die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer, das bei HSMtec zum Einsatz kommt, mit 300 W/mK doppelt so hoch. Kupfer und F4 haben im Vergleich zu Aluminium einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Der niedrigere Wärmeausdehnungskoeffizient von Kupfer verursacht beim Wechsel der Umgebungs- und Betriebstemperaturen weniger thermomechanischen Stress auf die Lötstellen der LEDs. Die geringere thermomechanische Belastung des Kupfers macht die LED-Baugruppe zuverlässiger, wie der Temperaturwechseltest zeigt.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft LED- und OLED-Beleuchtungstechnik I erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Welche Vorteile die HSMtec-Leiterplatten bieten

In Temperaturwechseltests wurde die HSMtec-Leiterplatte mit FR4-Leiterplatten mit Thermovias sowie mit Metallkern- und Keramik-Leiterplatten verglichen. Getestet wurde mit zwei Leiterplatten, die mit den leuchtstarken LED-Typen Ostar mit bis zu 12 W und Oslon mit bis zu 3 W bestückt waren. Beim Temperaturzyklustest von -40 bis 85 °C fielen bei den Metallkernleiterplatten auf Aluminiumbasis bereits nach 850 Temperaturzyklen Lötstellen aus, verursacht durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen des LED-Substrates (Keramik) und der Leiterplatte.

Im Vergleich dazu waren bei den HSMtec-Leiterplatten nach mehr als einem halben Jahr Testdauer und mehr als 3000 Temperaturzyklen keine Ausfälle zu beobachten. Im Temperaturwechselbereich zwischen 0 und 60 °C waren bei der FR4-basierten Leiterplatte nach mehr als 8000 Zyklen keine Schäden zu beobachten. Das gleiche Ergebnis erreichte die Keramiksubstrat-Leiterplatte. Die HSMtec-Leiterplatte hat eine elektrische Isolationsschicht, die für eine zuverlässige Potenzialtrennung zwischen LED und Kühlkörper sorgt. Ohne zusätzliche isolierende Folien erreicht der Aufbau normkonforme Spannungsfestigkeiten von über 4 kV.

High-Brightness-LEDs auf einem Multilayer

Üblicherweise wird eine IMS-Leiterplatte für die LEDs mit einer separaten Leiterplatte für die Steuerelektronik kombiniert und über Kabel und Stecker verbunden. Bei einer Metallkernleiterplatte würde die Kombination von Steuerelektronik und LEDs auf einer Platine die Kosten mit zunehmender Lagenzahl explodieren lassen. Mit HSMtec ist es möglich, eine sensorbasierte Lichtsteuerung und High-Brightness-LEDs auf einem gemeinsamen Multilayer unterzubringen. Ein durchdachtes Schaltungslayout erlaubt die thermische Entkopplung der Steuerelektronik und der LEDs auf vielerlei Arten, was eine lange Lebensdauer der Bauteile garantiert.

Die HSMtec-Leiterplatte hat noch eine weitere Eigenschaft, die gerade beim Lichtdesign punktet. Mit Kerbfräsungen an den Sollbiegestellen lässt sich die Leiterplatte nach dem Bestücken einmalig biegen und in gewünschte Neigungen einstellen. Die im FR4 integrierten Drähte bzw. Kupferprofile erlauben selbsttragende mehrdimensionale Leiterplatten, wobei die Wärme gezielt über die Biegekante geführt werden kann. Pro Biegung lassen sich Biegewinkel bis zu 90 Grad realisieren und somit beliebig komplexe 3-D-Geometrien aufbauen.

Ein weiterer Vorteil der Leiterplatte: Auch bei starken Vibrationen ändert sich der Neigungswinkel nicht. Dank dieser Eigenschaft eröffnen sich gestalterische Freiheiten für das Produktdesign und eine gezielte Lichtführung. So lassen sich beispielsweise mechanische Konstruktionen erstellen, um das Licht zu streuen oder zu fokussieren.

* Stefan Hörth ist Produkt-Manager beim Leiterplattenhersteller Häusermann in Gars am Kamp/Österreich.

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