Leiterplatten mit Metallsubstrat für LEDs: Ein tieferer Einblick

Leiterplatten mit metallischem Substrat bei der Entwicklung von LED-Systemen

Leiterplatten mit Metallsubstrat für LEDs sind aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeableitungseigenschaften eine weit verbreitete Lösung in Hochleistungs-LED-Beleuchtungssystemen. Bei der Entwicklung einer Leiterplatte mit Metallsubstrat für LEDs müssen zahlreiche elektrische, thermische und konstruktive Aspekte berücksichtigt werden, die die Zuverlässigkeit, Sicherheit und Leistung des Endprodukts beeinflussen können.

In diesem Artikel untersuchen wir die wichtigsten Faktoren, die bei der Entwicklung von Leiterplatten für professionelle LED-Beleuchtung zu berücksichtigen sind.

Die dielektrische Schicht in Leiterplatten mit Metallsubstrat für LEDs

1. Zusammensetzung und allgemeine Eigenschaften

Bekanntlich wird die Isolierung zwischen dem Metallsubstrat und der Kupferschicht durch eine dünne Schicht aus dielektrischem Material erreicht.

Die genaue Zusammensetzung dieser Schicht wird vom Hersteller in der Regel nicht angegeben.

Zu den am häufigsten verwendeten Materialien für die Herstellung der dielektrischen Schicht zählen Epoxidharze, deren Wärmeleitfähigkeit durch die Zugabe von Füllstoffen (Filler) erhöht wird.

Zu den am häufigsten verwendeten Füllstoffen gehören:

• Aluminiumoxid (Al₂O₃)
• Bornitrid (BN)
• Berylliumoxid (BeO)

Aluminiumoxid ist dank des guten Kompromisses zwischen Kosten, Sicherheit und Wärmeleitfähigkeit die am weitesten verbreitete Lösung.

Um die Kosten für die Keramikkomponente zu senken, werden in letzter Zeit Materialien verwendet, die aus anderen industriellen Verarbeitungsprozessen stammen, wie zum Beispiel:

• Kaolin
• Talkum
• Steatit

Wenn die Zusammensetzung der dielektrischen Schicht nicht genau bekannt ist, wird davon abgeraten, Schnitte oder Bohrungen in der Leiterplatte vorzunehmen, um das Einatmen potenziell gesundheitsschädlicher Stäube zu vermeiden.

2. Elektrische Eigenschaften des Dielektrikums

Da das Dielektrikum aus einer Mischung aus Harz und Keramikpulvern besteht, nimmt die endgültige Dielektrizitätskonstante einen Zwischenwert an, der von den Mischungsverhältnissen abhängt.

3. Kapazität, die sich zwischen den leitenden Schichten bildet

Die Kupfer- und die Aluminiumschicht, die durch das Dielektrikum voneinander getrennt sind, bilden einen Kondensator mit flachen, parallelen Elektroden.

Um zuverlässige Daten zu erhalten, empfiehlt es sich, die Kapazität eines bekannten PCB-Abschnitts zu messen und daraus den tatsächlichen Wert der Dielektrizitätskonstante des verwendeten Materials zu ermitteln.

4. Auswirkungen des Layouts und der Fotogravur

Anknüpfend an die bereits in der Studie zur Bestimmung der Laminatdicken einer Leiterplatte analysierten Ergebnisse lässt sich feststellen, dass beim Fotogravurverfahren spitze Kanten entlang der Kupferbahnen entstehen.

Bekanntlich konzentriert sich die höchste elektrische Ladungsdichte in Bereichen mit einem geringen Krümmungsradius.

In der Nähe dieser Stellen erreicht das elektrische Feld hohe Werte, wodurch sich das Risiko von Entladungen durch das darunterliegende Dielektrikum erhöht.

5. Wahrscheinlichkeitseffekte und Defekte des Dielektrikums

Etwaige Unregelmäßigkeiten in der Homogenität des Dielektrikums, wie beispielsweise Hohlräume oder eine Reihe von Hohlräumen, können zu Zündstellen für elektrische Entladungen werden.

Eine Verringerung der Kupferabdeckung kann die Wahrscheinlichkeit erhöhen, die Isolationsprüfungen zu bestehen, sofern dies mit den Anforderungen an die Wärmeableitung vereinbar ist.

6. Ableitströme zum Erdungsleiter

Ableitströme spielen insbesondere bei Straßenbeleuchtungsanwendungen eine wichtige Rolle, bei denen nicht immer eine wirksame Erdung gewährleistet ist.

Der Auslösewert für Wechselstrom mit 50 Hz ist auf 10 mA festgelegt. Dieser Grenzwert entspricht dem maximalen Strom, der im Falle eines Kontakts mit einem nicht ordnungsgemäß geerdeten Gerät durch den menschlichen Körper fließen könnte.

 Bei der Berechnung des Wertes des Ableitstroms, der durch eine LED-Leiterplatte mit metallischem Substrat, einer dielektrischen Schicht vond =100 μm und einer Gesamtfläche von^A =^{400 × 100 mm²} verursacht wird, sowie einer angelegten Netzspannung von_{500 Veff}, nehmen wir außerdem an, dass die Kupferbedeckungsfläche 25 % beträgt.

7. Überlegungen zu elektrostatischen Entladungen

Elektrostatische Entladungen können direkt oder indirekt erfolgen.

Im Falle einer direkten Entladung kann der ESD-Generator als ein auf 8000 VDC geladener Kondensator modelliert werden, der sich gemäß dem Schaltplan in Abb. 6 direkt an den Anschlüssen des LED-Moduls entlädt.

Die Kapazität _Cd+ wird durch direkte Ladungsübertragung mit der gesamten im 150-pF-Testkondensator vorhandenen Ladung aufgeladen.

Die Spannung, auf die der Kondensator gebracht wird _Cd lässt sich leicht berechnen, wenn man davon ausgeht, dass die LEDs den Ladungstransferprozess nicht wesentlich beeinträchtigen und dass sich der gesamte Kupferschaltkreis auf dasselbe Potential auflädt. Bei einer solchen Spannung schützt die parasitäre Kapazität die LED-Reihe vor den durch elektrostatische Entladung erzeugten Überströmen, sofern die LED-Reihe lang genug ist (140–160 LEDs in Reihe).

Bei dieser Bewertung wird stets davon ausgegangen, dass der Erdungskreis funktionsfähig ist; andernfalls stellt sich das Problem gar nicht erst.

Dimensionierung von Kupfer

Um die Kupferschicht in Leiterplatten mit metallischem Substrat für LEDs korrekt zu dimensionieren, empfiehlt es sich, ein strukturiertes Vorgehen zu befolgen:

1. Den tatsächlichen Wert der Dielektrizitätskonstante des verwendeten Materials bestimmen.
2. Verwenden Sie die kleinste Kupferfläche, die den Anforderungen an die Wärmeableitung entspricht.
3. Die parasitäre Kapazität und den daraus resultierenden Ableitstrom berechnen.
4. Das Verhalten der Schaltung bei elektrostatischen Entladungen überprüfen.
5. Führen Sie Isolations- und Isolationswiderstandsprüfungen durch, um die Unversehrtheit der dielektrischen Schicht zu überprüfen.

Hinweis: Die Norm schreibt einen Mindestisolationswiderstand von 2 MΩ vor. Dies ist ein sehr niedriger Wert für jede Leiterplatte; normalerweise werden Werte von über zehn GΩ erreicht, selbst bei sehr großen Leiterplatten.

Artikel von: Paolo Gabbi