HSMtec. Die intelligente Leiterplatten- Technologie für innovative LED-Leuchten. Copyright, Häusermann GmbH, 2011

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1 Die intelligente Leiterplatten- Technologie für innovative LED-Leuchten Copyright, Häusermann GmbH, 2011 Häusermann GmbH I A-3571 Gars am Kamp I Zitternberg 100 I Tel.: I Fax: I hsmtec@haeusermann.at

2 - Complete your visions Eine innovative Leiterplattentechnologie für vielfältige Anwendungsgebiete Kupferprofile und -drähte in Standard-FR4-Leiterplatten ermöglichen Hochstrom - Management Wärme - Management 3D - Anwendungen Ströme bis zu 400A integriert in die Leiterplatte Leistungs- und Steuerelektronik auf einer einzigen Leiterplatte Reduktion von Steckern, Kabeln und Bestückungsaufwand Gezielte Wärmeführung und Spreizung in der Leiterplatte (für HB-LEDs, MOSFETs, IGBTs, etc.) Durchgängiger Kupfer-Pfad von der Wärmequelle bis zur Wärmesenke Selbsttragende mehrdimensionale Leiterplattenstrukturen Integrierte Wärmeführung und elektrische Verbindungen über die Biegekanten Beliebig komplexe Geometrie 2

3 Standardmaterialen und Prozesse als qualitative Basis für vielfältige LED-Anwendungen Key-Facts Reduktion der Gesamt-Systemkosten und Time-to-market Optimierte Bauteil-Lebensdauer und Wirkungsgrad Hohe Designfreiheit und einfache Layoutgestaltung Standardisierte Herstellung und Weiterverarbeitung LED - Anwendungen Außenbeleuchtungen aller Art Hochleistungs-Leuchten Technische Industrieleuchten Architektur / Objektbeleuchtungen Design-Leuchten Spezialanwendungen (Medizintechnik, Eventbeleuchtung, Signalleuchten) Gesteigerte Anwendungszuverlässigkeit durch Ersatz von Steckern/Kabeln Effiziente Raum / Platznutzung Qualifizierte Technologie auditiert für Automotive und Luftfahrt * Bildquelle: Schreder Group, Büchner Lichtsysteme 3

4 wird im Standardverfahren gefertigt, mit nur einem zusätzlichen Arbeitsschritt. Fertigung Herstellung im Standard-Leiterplatten-Fertigungsverfahren und Einsatz von konventionellen FR4-Materialien Nur ein zusätzlicher Arbeitsschritt Ultraschall-Bonden der Profile und Drähte 100% stoffschlüssige Verbindung zwischen den Kupferprofilen / -drähten und den einzelnen Leiterplattenlagen Bonden der Kupferprofile und Drähte Innenlagen Ätzen Multilayer Verpressen Materialentnahme Standard- Herstellungsprozess 4

5 Profile und Drähte werden mittels Ultraschall auf Kupferfolien / Innenlagen gefügt. Fügemaschine - Gebondete Drähte / Profile Kupferprofile Dicke: 0,5 mm Breite: 2; 4; 8; 12 mm Länge beliebig Kupferdrähte Ø = 0,5 mm Länge beliebig Aufbringen der Profile / Drähte auf Cu-Folie bzw. Cores 5

6 Stoffschlüssige Verbindung der Profile zu Innen / Außenlagen Ultraschall-Verbindung - Schliffbilder Cu-Draht Ø = 500 µm 6

7 bietet geprüfte Qualität. Zertifizierungen und Normen 100 % stoffschlüssige Verbindungsstellen Leiterplatten entsprechen der IPC A 600 Klasse 2 und 3 Verfahren qualifiziert: DIN EN ; JEDEC A 101-A Auditiert für Automotive und Luftfahrt UL-Listung File Nr. E72795 für USA und Kanada 7

8 ist ein patentiertes Fertigungsverfahren von Häusermann. Patent Anmeldung Offenlegung Länder Status Leiterplatte mit zusätzlichen funktionalen Elementen sowie Herstellverfahren und Anwendung Leiterplatte mit funktionalen Elementen und selektiv gefüllten und thermisch leitfähigen Durchsteigelöchern sowie Herstellverfahren und Anwendung PCT/EP 2007/ Jan 2007 PCT/EP 2007/ Jan 2007 WO 2007/ A WO 2007/ A Europa* China USA Europa* Erteilt EP Erteilt EP Biegbare Leiterplatte mit zusätzlichem funktionalem Element und einer Kerbfräsung und Herstellverfahren und Anwendung PCT/EP 2007/ Jan 2007 WO 2007/ A Europa Veröffentlicht Anlage zur Herstellung einer Leiterplatte mit additiven und integrierten und mittels Ultraschall kontaktierten Kupferelementen. PCT/EP 2007/ Nov 2007 WO 2008/ A Europa Veröffentlicht Leiterplatte mit additiven und integrierten und mittels Ultraschall kontaktierten Kupferelementen und Herstellverfahren und Anwendung. PCT/EP 2007/ Nov 2007 WO 2008/ A Europa Veröffentlicht Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit einer Kavität für die Integration von Bauteilen und Leiterplatte und Anwendung. PCT/EP 2008/ Apr 2008 WO 2008/ A Europa* Erteilt EP * Österreich, Deutschland, Italien, Schweiz, Großbritannien, Frankreich 8

9 Umfangreiche Qualitätstests garantieren eine kompromisslose Zuverlässigkeit. Durchgeführte Prüfungen Lötschocktest Nach IPC-TM-650 Methode C / 10 Sekunden, 4-mal Anschließend 4-Punkt Widerstandsmessung Off-line Temperatur-Zyklen-Test Feuchtelagerungstest 1000 Zyklen - 40 C / +155 C, Haltezeit je 30 Minuten On-line 4-Punkt-Widerstandsmessung 1024 h Feuchtelagerung ( 85 C / 85% r.f.) Off-Line Widerstandsmessung nach 250, 500, 750 und 1024 Stunden Schwingungstest Nach IEC Hz über drei Achsen für 24h Schocktest Nach IEC g - 54 Schocks (9 je Richtung) Für alle Tests wurde eine zulässige Widerstandserhöhung von 10% gegenüber den gemessenen Anfangswerten festgelegt. Am Ende der Untersuchung wurden metallographische Schliffe durchgeführt. 9

10 Thermisches Management mit basiert auf mehreren Grundprinzipien. Grundprinzipien des thermischen Managements Beispielhafter Lagenaufbau Direkte Anbindung der LED an möglichst viel Kupfer zur raschen Wärmespreizung Kurzer thermischer Pfad Anforderungsgerechte thermische Dimensionierung Heatsink Ökologischer und wirtschaftlicher Material- und Technologieeinsatz Verwendung von bestehenden Materialien und bewährten Prozessen in der Verarbeitung 10

11 Kupfer und FR4 bieten optimale Materialeigenschaften für den Einsatz bei HB-LED-Anwendungen. Material Wärmeleitfähigkeit λ [W/mK] Kupfer 300 Aluminium 150 Lötzinn 51 Keramik 24 FR4 0,25 Luft (unbewegt) 0,026 Kupfer leitet Wärme ca fach besser als FR4 und ca fach besser als Luft (stehend). Material Materialausdehnung Ausdehnungskoeff. X/Y [ppm / K] Aluminium 23 Lötzinn 22 Kupfer 16 FR Keramik LED 4 8 Kupfer / FR4 basierte Platinen zeigen vor allem beim Einsatz von Keramik LEDs eine höhere Temperatur-Zyklen-Festigkeit. 11

12 Inhalt Anwendungsbeispiele 12

13 Selbsttragende 3D - Leiterplatten mit integriertem thermischen und elektrischen Management. LED Straßenleuchte All-In-One-Konzept 32 LEDs Cree XLamp XP-E 40 W Gesamtleistung (ca. 1.1 Watt pro LED) 100 Lumen Lichtausbeute pro LED Betriebsstunden (bei 70 % Lichtstromabfall) * Bildquelle: Schreder Group G.l.E. Integrierte Wärmeführung zu einer zentralen Wärmesenke Hohe photometrische Flexibilität Individuell ausrichtbare selbsttragende LED - Leiterplatten - Segmente Mechanisch stabile LED- Segmente ersetzen zusätzlichen Montage- und Verkabelungsaufwand Vereinfachtes Handling 13

14 Die integrierte Wärmeführung erlaubt den Einsatz einer zentralen Wärmesenke. Thermisches und mechanisches Konzept 4-Lagen ML, 1.2 mm Dicke Microvias zur thermischen Ankontaktierung der LED s 12 mm breite innenliegende Kupferprofile zur Wärmeführung in der Leiterplatte Thermo-Vias führen die Wärme an die Oberfläche zum Kühlkörper Einsatz einer zentralen Wärmesenke für alle 32 LEDs In die Biegekante integrierte 2 mm breite Kupferprofile zur elektrischen Ansteuerung Selbsttragende, flexible Elemente erlauben die individuelle Anpassung des Abstrahlwinkels der einzeln LEDs Kerbfräsungen an den Sollbiegestellen erlauben Biegeradien bis zu 90 14

15 LED Ringbeleuchtung zum Einsatz in der industriellen optischen Bildverarbeitung Ringbeleuchtung LED Beleuchtungseinheit zur gezielten Ausleuchtung von Objekten (Montage auf Kameraobjektiv ) Individuelle Anpassung der Ausleuchtung durch Justierung der einzelnen LED-Laschen - Lösung Wärmeableitung zum zentralen Ring sowie elektr. Ansteuerung über integrierte 2 mm Kupferprofile und 0.5 mm Drähte Innenlagen mit Kupfer geflutet zur optimalen Wärmespreizung Kerbfräsungen an den Sollbiegestellen erlauben einmaliges Biegen (inkl. Nachjustierung) bis zu 90 * Bildquelle: Büchner Lichtsysteme FR4, 4-Lagen, 1.6 mm Dicke PCB-Durchmesser: 149 mm 15

16 ermöglicht die Integration von umfangreicher Steuerelektronik auf derselben Platine. Spezifikation Anwendung Vergleich mit einer IMS basierten Lösung Kabinenbeleuchtung für Luftfahrt mit unterschiedlichen Lichtfarben 32 High Brightness LEDs (Lichtband) Komplexe Steuerelektronik und gezieltes thermisches Management der LEDs in einer Platine. Entwärmung der LEDs durch integriertes Kupferprofil und Thermovias zur Rückseite Flexverbindung Kostenvergleich: 2 getrennte Platinen LEDs auf 2 mm Alu Platte, einseitig 35 µm Kupfer mit 70 µm Dielektrikum Steuerplatine, 4 Lagen FR4, 35 µm, 2-seitig direkt verlötet - 9% , IMS Zusätzliche Fertigung AL Platte PCB-Signal PCB HCFlex-Kabel Oder IMS: Insulated Metal Verbindung Substrate 16

17 Kompetenzzentrum LED Maßgeschneiderte wirtschaftliche Lösungen Anforderungen Ausgangssituation LED - Leuchtstreifen für Schaufenster, Handläufe,etc. 42 cm x 1,3 cm Leistungserhöhung + Umstellung auf RBG-LED LED ohne Heatpad 0,53W / LED 65,0 K/W Lösungskonzept Innenliegende Thermovias 4-Lagen Multilayer Minimierung der Lagenabstände Erhöhung der Wärmespreizung auf Außen / Innenlagen 17,5 K/W 17

18 Innovative Lösung für High Power LED Leuchten und höchste Leistungsdichten Anwendungsbsp. LED Hochleistungsmodul Fläche: 5 x 5 cm LEDs / Board: LEDs Leiterplattendicke 0,8 mm Gesamtleistung pro Modul -Lösung 5 Watt pro LED ohne separatem Heatpad Direkte Anbindung der LED an massives Kupfer zur raschen Wärmeableitung ohne kritische Zwischenschichten 50 mm Minimierung der Leiterplattendicke garantiert geringsten therm. Widerstand Durchgängiger Kupferpfad von der LED bis zur Rückseite der Platine Wirtschaftliche Fertigung durch Auftrennung der Profile mittels kurzen Fräsungen zwischen Anode / Kathode Flexible Anordnung der LEDs 18

19 als flexible Lösung für LED Clusteranordnungen mit hohen Leistungsdichten. Anwendungsbsp. -Lösung Microvias sorgen für eine direkte Anbindung der LED an massives Kupfer Gute Lötbarkeit durch gefüllte Microvias im Heatpad Rasche Wärmespreizung innerhalb der Kupferprofile Sacklöcher direkt unter dem Profil führen die Wärme auf die Rückseite Flexible Lösung für Cluster unterschiedlicher Größe Speziell für LEDs mit Heatpad Optimierter therm. Widerstand durch min. Leiterplattendicke Beispielhafter Lagenaufbau 19

20 Unterschiedliche Lagenaufbauten für individuelle wirtschaftliche Lösungskonzepte. Lagenaufbauten für hohe Leistungsdichten..in Qualifizierung Microvias zur Anbindung des Heatpads an massives Kupfer Rasche Wärmespreizung im Kupferprofil Gute Lötbarkeit durch gefüllte Microvias im Heatpad 4 - Lagen Multilayer für flexibles elektrisches Layout Wärmespreizung im Kupferprofil und den Außen- / Innenlagen Thermovias zur Wärmeführung auf die Rückseite der Platine 20

21 in Kombination mit State-of-the-art Technologien ermöglicht flexibles Wärmemanagement. Beispielhaftes thermisches Konzept zur Entwärmung von Leistungsbauteilen Heatsink 70µm 70µm 70µm 70µm Microvias im Heatpad zur direkten metallischen Anbindung des Top-Layers (Lötseite) an das Kupferprofil Kupferprofile auf der Innenlage ermöglichen maximale Designfreiheit im elektrischen Layout Zusätzliche Wärmespreizung durch geflutete Innen / Außenlagen Sacklöcher / Thermo-Vias zur effizienten thermischen Anbindung der Wärmesenke (Kühlkörper, Gehäuse) an das Kupferprofil 21

22 Support von der Idee bis zum Produkt Häusermann Kompetenter Ansprechpartner für Ihre LED-Entwicklungen Beratung in der Ideenfindung / Konzeptphase Layoutunterstützung und Umsetzung Thermische Messungen und Laboruntersuchungen Montagefertige Platinen (Partner für Bestückung, Biegen) 22

23 Ausblick LED Leiterplattentechnik Intensive Forschungsaktivitäten und Kooperationen als Basis für Innovationen Aktuelle Themen / Forschung Thermische Konzepte zur: Steigerung der Leistungsdichten Optimierung des thermischen Pfades Steigerung der Bauteillebensdauer / Effizienz Intelligentes Lichtmanagement / Steuerungen Flexible mehrdimensionale LED-Module Hochleistungs-LED Module Voll-Integrierte LED Leiterplatten Einbettung der Die s in Leiterplattenvertiefungen Planare Oberflächenstrukturen 23

24 Häusermann Ihr Partner für. Innovative Flexible Powerful to complete your VISIONS. 24

25 Kontakt Wir begleiten Sie durch den gesamten Entwicklungsprozess COMPETENCE CENTER für HOCHSTROM und WÄRMEMANAGEMENT A-3571 Gars am Kamp, Zitternberg 100 Phone Fax HÄUSERMANN GmbH A-3571 Gars am Kamp, Zitternberg 100 Phone Fax Web Copyright 2010, Häusermann GmbH, Zitternberg 100, A-3571 Gars am Kamp Vervielfältigung und Weitergabe an Dritte nur mit ausdrücklicher Genehmigung der Häusermann GmbH 25