Leiterplatten im Powerbereich ASE Internet

Fachbericht
Leiterplattenvergleich
Leiterplatten im Powerbereich
Text: Urs Jordi, Asetronics AG, SMTE10
Das verwendete Leiterplattensubstrat im Hochstrombereich ist entscheidend für die
Wärmeableitung. Neben dem im Allgemeinen verwendete FR4-Material, welches ein schlechter
thermischer Leiter ist, gibt es noch keramische Leiterplattensubstrate und FR4 auf Aluminium
aufgeklebt um den Wärmewiderstand zu reduzieren. Am idealsten sind Metallkernleiterplatten
MCPCB (Metal Core Printet Circuit Board) oder IMS (Insulated Metal-Substrate). Siehe „Aufbau
von MCPCB“ [1]. Das Ziel eines guten Wärmemanagements ist weitgehend Materialien zu
verwenden, welche einen möglichst geringen spezifischen Wärmewiderstand aufweisen.
Nachfolgend werden 2 Standard Leiterplatten verglichen. Zum einen eine FR4 Leiterplatte, zum
andern eine MCPCB, welche beide eine Gesamtdicke von 1.5mm mit 70µm Kupfer aufweisen, die
gleiche Geometrie (40mm x 30mm) und den gleichen Footprint haben. Auf der Leiterplatte wird eine
Power LED von Osram (Golden Dragon) mit einer Leistung von 1W betrieben. Die
Umgebungstemperatur beträgt 25°C.
TS = 179°C
Bild 1: FR4 Leiterplatte
TS = 77°C
Bild 2: MCPCB Leiterplatte
Die Bilder zeigen den Unterschied der beiden Leiterplatten im Betrieb der Power LED. Die
Wärmeverteilung wurde mit Hilfe des Simulationsprogramm COMSOL dargestellt. Asetronics AG kann
mithilfe diese Simulationsprogramm FEM Analysen durchführen. Siehe „Wärmemanagement“ [2].
Es ist deutlich zu sehen, dass die FR4 Leiterplatte einen wesentlich höheren Wärmewiderstand
aufweist, also die Wärme wird weniger effektiv abgeleitet als bei der Metallkerleiterplatte. Dadurch
entsteht ein Wärmestau (Hotspot) auf der FR4 Leiterplatte und die Wärme kann vom LED Wärmepad
schlecht wegtransportiert werden. Das Wärmepad erreicht eine maximale Temperatur von 179°C, was
das LED zerstört. Hingegen wird beim MCPCB die Wärme durch den Aluminiumkern sofort
wegtransportiert und das Wärmepad der LED wird nur 77°C warm, was das LED problemlos aushält.
Die laterale (seitliche) Wärmeverteilung ist bei der FR4 Leiterplatte sehr schlecht, da das Kupfer nur
70µm dick ist. Die Kupferfläche zu vergrössern, bringt nicht sehr viel. Im Gegensatz ist beim MCPCB,
bei welcher das Substrat 1.5mm dick ist, die laterale Verteilung ideal.
Durch die tiefere Temperatur am Wärmepad ist auch der Chip besser gekühlt, somit ist die
Lichtausbeute und die Lebensdauer der LED höher.
[1] http://www.asetronics.ch/de/pdf/allg/Leiterplatten_fuer_LED-Applikationen.pdf
[2] http://www.asetronics.ch/de/html/waermemanagement.html
Bern, Dezember 2008
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