elektronikJOURNAL

E-Mechanik + Kühlung
Coverstory
Coole Leuchtkraft
Mehr Freiheiten beim Design mit LEDs dank zuverlässigem
Wärmemanagement
Noch nie waren die Anforderungen an Leiterplatten so hoch wie heute: enge Platzverhältnisse,
komplexe Ansteuerungstechnik, heißlaufende Leuchtdioden – diese Liste ließe sich
beliebig fortsetzen. Wesentlich ist zudem, dass nichts die Helligkeit und Farbintensität der
High-Power-LEDs trüben darf. Und so rückt die Platinen-Zuverlässigkeit in den Vordergrund.
Autor: Stefan Hörth
Leuchtendesigner kommen nicht mehr ohne sie aus: LEDs
gelten als edel und schick, als langlebig und leuchtintensiv.
Zudem erlauben sie ungeahnte Designmöglichkeiten.
Maßgeblich für ihre Akzeptanz als Leuchtmittel ist die
Lichtqualität: Die Anforderungen an Homogenität und Farbtemperatur
sind hoch, denn das menschliche Auge nimmt bereits die
Abweichung von einigen Kelvin als Farbunterschied wahr. Neben
einer klugen Ansteuerungstechnik ist auch ein effizientes Wärmemanagement
nötig, um das brillante Leuchten dauerhaft zu
erhalten. Trotz verbesserter Wirkungsgrade wandeln LEDs noch
immer ein Großteil der elektrischen Leistung in Wärme um.
Dies gilt umso mehr, als sich Arrays mit vielen eng nebeneinander
platzierten Leuchtdioden zunehmend durchsetzen. Außerdem
kommen vermehrt UHB-LEDs (Ultra High Brightness)
mit bis zu zehn oder mehr Watt pro Gehäuse zum Einsatz. Da
aktuelle High-Brigthness-LEDs für die Wärmeableitung lediglich
eine vergleichsweise kleine Fläche von oft nur wenigen Quadratmillimetern
haben, ist eine schnelle Wärmeableitung direkt
unterhalb der LED ebenso wie ein möglichst geringer thermischer
Widerstand der Leiterplatte wichtig.
Ungetrübtes Licht
Um eine Lichttrübung der LEDs zu vermeiden, sind konstruktive
Maßnahmen auf Leiterplattenebene angesagt, die helfen, die
Wärmeableitung zu verbessern, um so die LEDs im optimalen
Bereich zu betreiben und Ausfällen oder Veränderungen entgegen
zu wirken. Allerdings ist es nötig, die Menge der abzuführenden
Wärme, den verfügbaren Platz, die Abmessungen und
die Kontaktierungsart der Bauelemente sowie die Komplexität
der Schaltung zu berücksichtigen. Erste Wahl beim Thema Wärmemanagement
sind oft etablierte Leiterplattenverfahren wie
Insulated Metal Substrate (IMS) auf Aluminiumbasis.
Jedoch gibt es mit HSMtec eine Wärmemanagement-Variante,
die massive Kupferelemente selektiv in Standard-FR4-Leiterplatten
integriert und damit die Hitzeentwicklung zügig auf zulässige
Partial- und Systemtemperaturen drosselt. Nur dort, wo tatsächlich
Wärme oder auch hohe Ströme durch die Leiterplatte
fließen sollen, werden massive Kupferelemente – sei es in Profil
oder in Drahtform – in die Leiterplatte integriert und zwar in
jede beliebige Lage eines Multilayers. Weil Kupfer gut und
schnell die Wärme ableitet, hat HSMtec beim Thermomanage-
ment gegenüber IMS-Materialien die Nase vorn. Mehr noch:
Durch die direkte Anbindung der LEDs an massives Kupfer mittels
Microvia-Technik, lässt sich eine rasche Wärmespreizung
und Ableitung von kleinen leistungsstarken LEDs erzielen. Auf
isolierende Zwischenschichten direkt unter der LED lässt sich
damit verzichten.
Osram OS startet Testreihe
Verschiedene thermische Stresstests, die Osram Opto Semiconductor
durchführte, bestätigen die Zuverlässigkeit von HSMtec-
Platinen auf Kupfer- und FR4-Basis. Der Einfluss von Temperaturschwankungen
auf die Zuverlässigkeit von LED-Platinen ist
nicht unerheblich und hat mehrere Ursachen.
Neben der eigenen Hitzeentwicklung der LED sorgen auch die
Umgebungsbedingungen sowie häufiges Schalten und Dimmen
für hohe Temperaturzyklusbelastungen. Jene wechselnden Temperaturen
sind oft die Ursache dafür, dass es zu einer Schädigung
Auf einen Blick
Mit der Aufnahme ins weltweite Expertennetzwerk „LED Light for
you“ von Osram Opto Semiconductor konnte die Leiterplattentechnik
HSMtec mit ihren partiell integrierten massiven Kupferelementen unter
Beweis stellen, dass es sich um ein effi zientes Wärmemanagement-Modell
für High-Power-LEDs handelt. Dadurch, dass sich mit
HSMtec sowohl LEDs als auch die Steuerungselektronik auf einer
Platine unterbringen lassen, ist HSMtec auch für die Zhaga-Standardisierungsbestrebungen
interessant.
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elektronikJOURNAL 04 / 2013
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