Entwicklung neuartiger Hochleistungs-LED- Systeme auf Basis wärmeleitender Kunststoffe

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1 Entwicklung neuartiger Hochleistungs-LED- Systeme auf Basis wärmeleitender Kunststoffe SMT MID Forum, Nürnberg, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Florian Ranft Andreas Fischer M. Sc. Prof. Dr.-Ing. Dietmar Drummer Lehrstuhl für Kunststofftechnik Universität Erlangen-Nürnberg Am Weichselgarten Erlangen

2 Agenda Hochleistungs-LEDs als zukünftiges Beleuchtungsmittel Stand der Technik hochgefüllte, wärmeleitende Kunststoffe Einsatzmöglichkeiten und Aufbaukonzepte 3a Kunststoffgehäuse mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit 3b Spritzgegossene thermoplastische Schaltungsträger Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Wachstumsmarkt LED-Technologie Anwendungsfelder und Leistungsentwicklung 3 Studie isupply (erschienen 04/2010): weltweite Verdopplung des LED-Marktes auf 14,3 Milliarden Euro im Jahr 2013 bezogen auf das Jahr 2009 Fahrzeugbeleuchtung Straßenbeleuchtung LCD-Hinterleuchtung Jahr Wärmewiderstand LED-Entwicklung Bilder LKT Lichtstrom

4 Wachstumsmarkt LED-Technologie Aufbau und Zuverlässigkeit von Hochleistungs-LEDs Aufbau LED-Lampe Halbleiter-Chip und Gehäuse Schaltungsträger Kühlkörper und Gehäuse Optik / Linsensystem Ansteuerung mit Treiber Bild LKT Lebensdauer und Zuverlässigkeit Strom Feuchtigkeit Temperatur LED Mech. Einflüsse Strahlung und Licht Chem. Einflüsse Lebensdauer nach DIN IEC/PAS

5 Thermisches Management von Hochleistungs-LEDs Temperaturabhängige Eigenschaften und Lebensdauer Wirkungsgrad (Verhältnis Lichtleistung / elektrische Leistung): trotz einem im Vergleich zu herkömlichen Glühlampen hohen Wirkungsgrad von LEDs von ca. 25 % wird ein Großteil der elektrischen Leistung in Wärme umgesetzt, welche zuverlässig abgeführt werden muss Lebensdauer Seoul P4-LED weiß Seoul P4-LED Lichtstrom 5 * Herstellerangaben

6 Thermisches Management von Hochleistungs-LEDs Wärmepfade und Wärmewiderstände 6 R Thermisches Ersatzschaltbild Temperaturgefälle (stationär) Auslegung anhand von Wärmewiderständen thja T T J A R Cl R Cl R ClPCB R PCB... PV R HS

7 Grundlagen im Bereich wärmeleitender Kunststoffe Herstellung und Verarbeitung 7 Polymer Füllstoff Compound + = Aufbereitung Verarbeitung Doppelschneckenextruder Einschneckenextruder Ko-Kneter Spritzgießmaschine Bild LKT Bild LKT

8 Grundlagen im Bereich wärmeleitender Kunststoffe Füllstoffe und ihre Eigenschaften Leitruß Stahlfasern 5 μm 20 μm 100 μm 250 μm Kohlenstofffasern expandierter Graphit Kupferplättchen 50 μm 200 μm 250 μm Aluminiumflakes Kupferfasern Messingkugeln Pulver: Ruß, Leitruß, Graphit, Metallpulver, Halbmetallpulver Fasern: Stahl, Kupfer, Kohlenstoff, Aluminium, beschichtete Glasfasern Unterscheidung nach Füllstoffgröße, -form, und -oberfläche! 20 μm 8

9 Grundlagen im Bereich wärmeleitender Kunststoffe Füllstoffe und ihre Eigenschaften 9 Elektrische Leitfähigkeit Preis, chemische Stabilität Metalle Graphit Auswahlkriterien Mechanische Stabilität Bornitrid Aluminium -oxid Vielzahl unterschiedlicher Auswahlkriterien vorhanden! Elektrische Isolation

10 Grundlagen im Bereich wärmeleitender Kunststoffe Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Füllstoffgehalt 10 Aluminiumoxid Alcoa CL3000SG 20 m Probekörpergeometrie Platte 55mm x 50mm x 4mm Hot-Disk-Gerät (23 C) exponentieller Anstieg der Wärmeleitfähigkeit

11 Grundlagen im Bereich wärmeleitender Kunststoffe Einfluss der Füllstoffgeometrie auf die Wärmeleitfähigkeit Polyamid + Kupferfüllstoffe 11

12 Grundlagen im Bereich wärmeleitender Kunststoffe Einfluss der Füllstoffgeometrie auf die Wärmeleitfähigkeit Polyamid + Kupferplättchen 12

13 Grundlagen im Bereich wärmeleitender Kunststoffe Erzielbare Wärmeleitfähigkeiten und kommerzielle Verfügbarkeit 13 Keramik - compounds Graphitcompounds Kupfercompounds Aluminiumcompounds Hersteller: Albis Plastic GmbH Polyone Lehmann & Voss & Co. PTS Ensinger Compounds A. Schulmann GmbH Polymere: PA6, PA66, PBT, PPS kommerzielle Verfügbarkeit hochgefüllter Kunststoffcompounds mit Wärmeleitfähigkeiten bis zu 20 Wm -1 K -1!

14 Wärmeleitende Kunststoffgehäuse mit unterschiedlichem Automatisierungsgrad in der Fertigung Werkstoffsubstitution mit manuellen Montageprozessen Werkstoffsubstitution und Montagespritzguss 14

15 Spritzgegossene Schaltungsträger aus wärmeleitenden Kunststoffen (Molded Interconnect Devices) 15

16 Metallisierung durch Heißprägen von Kupferfolien auf die Kunststoffoberfläche durch Druck und Temperatur 16

17 Optoelektronische Baugruppe aus wärmeleitenden Kunststoffen mit heißgeprägter Metallisierung Werkstoffe Matrix: Polyamid 66 (Durethan A30S) = 0,2 0,4 W/mK Füllstoff: Bornitrid BN (ESK TCP 012) = 400 II / 2 Wm -1 K -1 Füllstoffanteil: 0, 20 und 50 Vol.-% Probekörper Schaltungsträger mit Kühlrippen 80 x 60 mm 2 Spritzguss T m = 290 C T w = 80 C t k p n = 25 s = 300 bar 17

18 Optoelektronische Baugruppe aus wärmeleitenden Kunststoffen mit heißgeprägter Metallisierung Schaltungslayout Heißprägefolie 18 Hochleistungs-LEDs 3 Seoul P4-LEDs: Verlustleistung 3 x 1,12 W Konvektionslöten bleifreies Lötprofil (SnAgCu) Oberflächentemperatur T aktivierung = 170 C T liquidus = 217 C T maximum = 240 C

19 Optoelektronische Baugruppe aus wärmeleitenden Kunststoffen mit heißgeprägter Metallisierung 19

20 Metallisierung der Kunststoffoberfläche durch selektive Laserablation und -aktivierung 20 LDS Prozesskette Wirkadditiv Laserablation Laserstrahl LDS-Additiv Partikel Metalloxid bzw. Mischmetalloxid Laseraktivierung Kupferkeime O HN N O + Cu O Keramikkern NH N O Liganden Bruchstücke

21 Laser-Direkt-Strukturierte optoelektronische Baugruppe aus wärmeleitenden Kunststoffen Gew.-% Polymer: Polyamid 66 (BASF Ultramid A27 E) Werkstoffe und Probekörper 8 Gew.-% LDS-Additiv: Metal-Chelate-Complex (LPKF Additiv 2) Kühlkörper 50 x 50 x 14 mm 3 mit LED 50 Gew.-% Füllstoff: Bornitrid h-bn (ESK Boronid TCP015) 450 nm 20 μm Bild LKT Demag 25/ T m = 300 C T wkz = 80 C v ein = 50 mm/s p n = 50 bar v d = 200 min -1

22 Laser-Direkt-Strukturierte optoelektronische Baugruppe aus wärmeleitenden Kunststoffen Halbleiter - max. 4 W 22 Wärmepfade Bild LKT Wärmleitpaste - 5 Wm -1 K -1 Kupfer Wm -1 K -1 Kupfer Wm -1 K -1 Wärmleitpaste - 5 Wm -1 K -1 Kupfer Wm -1 K -1 Compound

23 Laser-Direkt-Strukturierte optoelektronische Baugruppe aus wärmeleitenden Kunststoffen 23 x B y B Fließinduzierte richtungsbezogene Wärmeleitfähigkeit Schichtmodell z-richtung: b x-richtung: a + a z B y B z R x R y-richtung: a + b + a (Basis): (Rippe): x-richtung: 6,93 Wm -1 K -1 x-richtung: 7,03 Wm -1 K -1 y-richtung: 8,21 Wm -1 K -1 y-richtung: 8,32 Wm -1 K -1 z-richtung: 1,13 Wm -1 K -1 z-richtung: 1,01 Wm -1 K -1

24 Laser-Direkt-Strukturierte optoelektronische Baugruppe aus wärmeleitenden Kunststoffen 24 IR-Thermografie LED Kühlkörper Betriebstemp. -40 bis +80 C (empf.) Temperaturentwicklung der Hochleistung-LED Zuverlässige Bauteilentwärmung durch kurze Wärmepfade

25 Zusammenfassung und Ausblick 25 Wärmeleitende Kunststoffe bieten hohes Potential im Bereich der Wärmeübertragung bzw. des thermischen Management von optoelektronischen Systemen Genaue Betrachtung des thermischen Systems sowie aller darin vorhandener Einzelkomponenten und Wärmepfade notwendig Kombination von wärmeleitenden Kunststoffen mit weiteren werkstofflichen und verarbeitungstechnischen Lösungsansätzen sinnvoll Ausnutzung kunststofftechnischer Freiheitsgrade zur Generierung innovativer Kühlkonzepte Wärmeleitung Konvektion Wärmestrahlung T Q A x

26 Danksagung für die finanzielle Unterstützung innerhalb des Forschungsvorhabens Entwicklung neuartiger Hochleistungs-LED-Systeme auf Basis wärmeleitender Kunststoffe (KF GZ2, Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand) für die konstruktive Zusammenarbeit innerhalb des Forschungsvorhabens Entwicklung neuartiger Hochleistungs-LED-Systeme auf Basis wärmeleitender Kunststoffe (KF GZ2, Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand) 26

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Mittwoch, , 10:00 10:30 Uhr Maschinentechnik für den LDS-Prozess 27