HSMtec als Basis moderner LED-Technik

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1 HSMtec als Basis moderner LED-Technik HSMtec, die von Häusermann entwickelte und mehrfach patentierte Technologie für selbsttragende mehrdimensionale Konstruktionen, Hochstrom- und Wärmemanagement beweist auch speziell auf dem Gebiet innovativer LED-Anwendungen technologische Überlegenheit. Wenn die Anforderung nach optimiertem thermischen Management, gepaart mit Energieeffizienz sowie mechanischer und photometrischer Flexibilität besteht, ist HSMtec die ideale Basis moderner LED-Produkte. HSMtec nimmt eine Schlüsselrolle ein, wenn es darum geht, gezieltes Wärmemanagement innerhalb der Leiterplatte mit state-of-the-art Leiterplattentechnologien sowie höchsten Anforderungen an die Leiterplattenstruktur und den Aufbau (min. Strukturbreite, Lagenanzahl, Microvias, etc.) zu kombinieren. In HSMtec- Leiterplatten werden mittels Ultraschallverbindungstechnik externe Kupferteile in Form von Drähten oder Profilen direkt auf das Basiskupfer aufgebracht. Dies erfolgt selektiv an jenen Stellen der Leiterplatte, an denen Wärme abgeführt, hohe Ströme fließen und/oder die Leiterplatte gebogen werden soll. Mit dieser Technologie können wir einen durchgängig metallischen thermischen Pfad vom Hotspot (z.b. Leistungsbauteil, Hochleistungs-LED, etc.) bis zur Wärmesenke (Kühlkörper, Gehäuse) realisieren, so Stefan Hörth, Produktmanager HSMtec bei Häusermann. Damit garantieren wir eine Minimierung des thermischen Widerstandes, welche notwendig ist, um die Erwärmung des Hotspots so gering wie möglich zu halten und dessen Lebensdauer zu erhöhen. Der thermische Widerstand berechnet sich wie folgt: d Dicke [µm] A Querschnitt [mm 2 ] λ Spezifische Wärmeleitfähigkeit [W/mK] Ein Blick auf die spezifische Wärmeleitfähigkeit (siehe Abbildung 1) zeigt die Bedeutung des durchgängig metallischen Pfades von der Quelle bis zur Senke und das Leistungspotential von HSMtec. Denn Kupfer leitet Wärme 1000-fach besser als FR4 Pressemitteilung HSMtec Seite 1 / 11 Datum: Mai 2010

2 bzw fach besser als stehende Luft. Abbildung 1: Wärmeleitfähigkeit von Materialien Durch die intelligente Kombination von integrierten Kupferprofilen mit modernen Leiterplattentechnologien wie Micro- und Thermovias ermöglichen wir die direkte metallische Ankontaktierung der Lötflächen (Bauteile, Kühlkörper) an die Profile, wodurch Nadelöhre im thermischen Pfad vermieden werden, so Hörth Mit einem wärmetechnisch optimierten Lagenaufbau können wir zusätzlich für rasche Wärmespreizung sorgen und unterstützen somit das gesamte thermische Konzept. Anhand einer großen Zahl von empirischen Untersuchungen konnten wir unser Know-How im Bereich des thermischen Managements und Hochstrom auf der Leiterplatte umfangreich erweitern. Die Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen ermöglichen es uns heute, unsere Kunden unkompliziert und aktiv bei der thermischen Dimensionierung und dem Design der Leiterplatte und Baugruppe zu unterstützen. Pressemitteilung HSMtec Seite 2 / 11 Datum: Mai 2010

3 HSMtec wurde von unabhängigen Prüfinstituten qualifiziert und setzt auf Standard-FR4 Material. Zudem wird HSMtec im Standard-Herstellungsprozess erzeugt und gewährleistet damit eine ideale Weiterverarbeitbarkeit. Weiters ermöglicht HSMtec die Konstruktion von selbsttragenden mehrdimensionalen Leiterplatten. Kerbfräsungen an den Sollbiegestellen sorgen dafür, dass einzelne Segmente durch beliebige Einstellung des Neigungswinkels in die gewünschte Ausrichtung gebracht werden können. Abbildung 2: Biegestelle mit Kerbfräsungen Im Fall von LED-Beleuchtungen wird so über eine Vielzahl von individuell ausrichtbaren Leiterplatten-Segmenten je nach Bedarf Lichtstreuung oder Lichtfokussierung erzeugt. Dadurch ergeben sich für den Lichtdesigner ungeahnte Möglichkeiten, die Lichtcharakteristik einer Leuchte bzw. die Ausleuchtung von Objekten gezielt zu beeinflussen. Geschäftsführer Mag. Christoph Jarisch: Wir sind stolz darauf, dass unsere Technologie heute erfolgreich am Markt etabliert und aus zahlreichen Anwendungen nicht mehr wegzudenken ist. Als innovative Basis für Produktneuentwicklungen verdrängt HSMtec zunehmend Alternativlösungen. Pressemitteilung HSMtec Seite 3 / 11 Datum: Mai 2010

4 Der unübertroffene Vorteil von HSMtec liegt in der ausgefeilten Funktionalität dieser Technologie. Denn eine einzige HSMtec-Platine übernimmt im Idealfall zugleich mehrere Aufgaben: Lichtstreuung oder Lichtfokussierung über flexible, aber selbsttragende Leiterplattensegmente Wärmeableitung von den LEDs zum Kühlkörper mittels integrierter Kupferprofile über die Biegestellen zum Kühlkörper Elektrische Ansteuerung der LEDs durch in die Biegestellen integrierte Kupferprofile Die flexiblen ausrichtbaren Leiterplatten-Segmente erreichen die gleiche Stabilität wie separate mechanisch verbundene Teile, sodass sich deren Neigungswinkel auch bei starken Vibrationen nicht ändert. HSMtec ist die Grundlage vielfältigster Anwendungsmöglichkeiten, denn die hohe Designfreiheit von HSMtec sorgt für photometrische Flexibilität, Wirtschaftlichkeit und innovative optische Lösungen. Zwei Beispiele geben Einblick in die unzähligen Einsatzgebiete von HSMtec und verdeutlichen die Vorteile dieser innovativen Technologie gegenüber Standardlösungen. Anwendungsbeispiel 1: Straßenbeleuchtung Die Schréder Group ist weltweit mit über 40 Unternehmen auf fünf Kontinenten vertreten. In der Entwicklung einer neuen Straßenbeleuchtung, die den Energieverbrauch gegenüber herkömmlichen Technologien reduziert und eine homogenere Beleuchtung erzielt, setzt Schréder auf HSMtec. Mit dieser innovativen Leiterplattentechnologie konnten nicht nur die gestellten Anforderungen an das Produkt erfüllt werden - zusätzlich wurde auch eine Verlängerung der Lebensdauer (durch Senkung der Sperrschichttemperatur) erreicht. Pressemitteilung HSMtec Seite 4 / 11 Datum: Mai 2010

5 Abbildung 3: LED-Beleuchtung auf Basis von HSMtec Unsere Herausforderung bestand darin, LEDs in ein vorhandenes Leuchtengehäuse zu integrieren und dabei die LED-Optiken so auszurichten, dass die Lichtverteilung gegenüber einer Leuchte mit einer Leuchtstofflampe optimiert wird. Gleichzeitig galt es, die Wärme von den LEDs optimal abzuleiten, um den Energieverbrauch, verglichen mit einer Kompaktleuchtstofflampe, um mindestens 25 % zu senken. Dies ist uns dank HSMtec und der exzellenten technischen Unterstützung von Häusermann gelungen!, so Steffen Holtz, Projektleiter LED, R-Tech, Schrèder Group G.I.E. Bild: Schréder G.I.E. Abbildung 4: Leuchtmittel Aresa der Firma Schréder verwendet die neueste LED-Technologie basierend auf HSMtec 32 LEDs des Typs Cree XLamp XP-E in Serie geschaltet; Leistungsaufnahme/LED = 1,1 Watt; Lichtausbeute = 100 lm/led, Nach ca h Betriebsstunden weist die Leuchte noch 70% des ursprünglichen Lichtstroms auf. Mit HSMtec konnten wir zum ersten Mal auf eine mechanische Halterung der einzelnen Leiterplatten-LED-Segmente verzichten. HSMtec ist für uns die Grundlage einer vereinfachten und somit wirtschaftlicheren Fertigung. Im Vergleich zu einer Lösung mit Starrflex-Platinen konnten wir nicht nur die Sperrschichttemperatur um 5 C senken, Pressemitteilung HSMtec Seite 5 / 11 Datum: Mai 2010

6 sondern auch aufwändigen Montageaufwand und damit verbundenen Ausschuss erheblich reduzieren. Insgesamt haben wir daher in HSMtec nicht nur die technisch sondern auch wirtschaftlich perfekte Lösung gefunden. Abbildung 5: HSMtec-Platine in der Straßenleuchte Entwärmung mittels 12 mm Cu-Profil über die Biegestelle Ansteuerung mittels 2 mm Cu-Profil über die Biegestelle Thermische und elektrische Ankontaktierung erfolgt über Microvias bzw. Sacklöcher Die absolute Designfreiheit von HSMtec sorgt für photometrische Flexibilität und innovative optische Lösungen, denn jede LED kann durch beliebige Einstellung des Neigungswinkels individuell ausgerichtet werden. Abbildung 6 und 7: Leiterplatten Layout einer Biegestelle Ausführung als 4lagen Multilayer mit 1,2 mm Dicke und Profilen auf der Innenlage. Vorwärtsstrom der LED s beträgt 350 ma. Die entstehende Gesamt-Verlustleistung von ca. 25 Watt wird über die Leiterplatte abgeführt. Pressemitteilung HSMtec Seite 6 / 11 Datum: Mai 2010

7 Abbildung 8 und 9: Thermographien der Leiterplatte im Betrieb Der Temperaturunterschied von der LED zum Kühlkörper beträgt ca. 10 Kelvin. Mit dem intelligenten Wärmemanagement von HSMtec konnte die Sperrschichttemperatur der LEDs im Betrieb von 85 C auf 80 C gesenkt werden, wodurch sich die Lebensdauer der LEDs um 10% verlängert. Bei einem Lichtstrom von 70% des Anfangslichtstromes wird damit eine Lebensdauer von ca h erreicht. Durch die frühe Einbindung des Häusermann-Teams bereits in unserer Konzeptphase konnte das gesamte thermische Design von der Leiterplatte bis zum Leuchtengehäuse gemeinsam optimal abgestimmt werden erklärt Steffen Holtz weiter Rasch und unkompliziert wurden Prototypen in unterschiedlichen Varianten hergestellt, begleitet von thermischen Analysen, die es uns ermöglichten, die HSMtec-Technologie optimal zu nutzen. Unsere Erwartungen an Häusermann als Entwicklungspartner und an die mechanische, elektrische und thermische Funktionalität von HSMtec haben sich voll erfüllt. Pressemitteilung HSMtec Seite 7 / 11 Datum: Mai 2010

8 Anwendungsbeispiel 2: LED-Ringbeleuchtung Die Firma BÜCHNER LICHTSYSTEME fertigt seit mehr als 15 Jahren LED-Leuchten für die industrielle Bildverarbeitung und Automation. Vorrangiges Ziel dabei ist die Optimierung der optischen Eigenschaften bei gleichzeitiger Gewährleistung einer besonders hohen Produktqualität. Bei der neuesten Produktentwicklung, einer Ringbeleuchtung für Kameras mit optimiertem thermischem Design und hoher Variabilität, fand das Unternehmen in HSMtec eine innovative Lösung. Dank HSMtec kann die Fokussierung des Lichtes sowie die Ausleuchtung des Objektes individuell an den vom Kunden geforderten Arbeitsabstand der Leuchte angepasst werden. Thomas Büchner, Geschäftsführer: Die Herausforderung bestand darin, einen möglichst guten Wärmefluss von den LEDs zum Gehäuse zu realisieren und das trotz stark eingeschränktem Anteil an Wärme übertragender Fläche. Mit HSMtec konnten wir sowohl das Problem der lateralen Wärmeleitung im Board sehr gut lösen als auch weitere Bauteile und Montageaufwand ersetzen. Während der einjährigen Planungs- und Entstehungsphase erwies sich Häusermann als technisch kompetenter Entwicklungspartner. Durch den Einstieg in diese neue Leiterplattentechnologie haben wir größere Freiheiten im Design gewonnen. Abbildung 10 und 11: LED-Ringbeleuchtung CORONA L auf Basis von HSMtec Pressemitteilung HSMtec Seite 8 / 11 Datum: Mai 2010

9 Corona L besteht aus einem inneren und einem äußeren Leiterplatten-Ring. Die 16 anwinkelbaren selbsttragenden Leiterplatten-Segmente des äußeren Ringes, welche über Kupferprofile und Drähte mit dem inneren Ring verbunden sind, sind Träger der 128 LEDs. Der massive Kupferquerschnitt der Profile und Drähte sorgt für optimale Führung der Wärme von den LED s zum inneren Ring, wo die Wärme an das Gehäuse / Wärmesenke abgegeben wird. Die individuelle Abstrahlcharakteristik der Leuchte wird durch die Anpassung des Neigungswinkels (0,15, 30, 45, 60 ) der einzelnen LED-Leiterplatten- Segmente erzielt. Dadurch kann die Fokussierung sowie die Ausleuchtung des Objektes an den individuellen Arbeitsabstand der Leuchte angepasst werden. Zusätzlich gewährleisten variable Ansteuermöglichkeiten der einzelnen LEDs (segmentweise, ringweise) in Kombination mit vielfältigen Betriebsmodi der Leuchte (Dauer-, Schalt- und Blitzbetrieb) eine hohe Bandbreite an unterschiedlichen Einsatzmöglichkeiten sowie eine Anpassung der Beleuchtungsintensität an die jeweiligen betrieblichen Gegebenheiten. Die Lebensdauer der LEDs liegt bei einer Umgebungstemperatur von 25 C bei h. Abbildung 12: CORONA-L, Flexible Ansteuerung der LED-Segmente sowie individuelle Anpassung der Lichtfokussierung und Ausleuchtung. Die Leiterplatte, ein 4-Lagen-Multilayer auf FR4-Basis, ist 1,6 mm dick und weist einen Durchmesser von 149 mm auf. Pressemitteilung HSMtec Seite 9 / 11 Datum: Mai 2010

10 Abbildung 13: HSMtec-Platine unbestückt, Segmente angewinkelt In diese HSMtec-Platine wurden 49 Kupferprofile (a 2mm Breite) und 33 Drahtverbindungen (Ø = 0,5mm) integriert. Die Platine übernimmt hier eine große Vielfalt an Funktionen: Optimierte laterale Wärmeleitung über die Biegestellen zur Wärmesenke sowie elektrische Ansteuerung über die Biegestellen vom inneren Ring zum äußeren Ring, Lichtfokussierung (durch flexible Ausrichtung des Biegewinkels der Segmente des äußeren Ringes) und Stabilisierung der angewinkelten Teilflächen. Abbildung 14: Kupferprofile und Drähte auf Innenlage Pressemitteilung HSMtec Seite 10 / 11 Datum: Mai 2010

11 Die Technologie HSMtec HSMtec ist ausgehend vom Prototypen bis zur Großserie erhältlich. HSMtec ist nach DIN EN und JEDEC A 101-A qualifiziert und auditiert für Luftfahrt und Automotive. Weitere Infos unter Über Häusermann Häusermann GmbH ist Spezialist für Leiterplatten mit besonderen Verlässlichkeitsanforderungen. Neben bewährten Technologien, wie Durchkontaktierten-, Multilayer-, HDI- und Starrflexiblen Leiterplatten bietet Häusermann auch Folientastaturen und HSMtec-Platinen - das sind innovative Lösungen im Bereich selbsttragende mehrdimensionale Konstruktionen sowie Hochstrom- und Wärmemanagement. Flexibles Eingehen auf Anforderungen und individuelle technische Beratung machen Häusermann zum starken Partner in der gesamten Elektronik-Entwicklung. Weitere Infos auch unter Kontakt Dipl.-Ing. Stefan Hörth Competence Center HSMtec Häusermann GmbH, A-3571 Gars am Kamp, Zitternberg 100 Tel. +43/2985/ ; Fax +43/2985/ , hsmtec@haeusermann.at; Pressemitteilung HSMtec Seite 11 / 11 Datum: Mai 2010