Etwa 95% der Informationen werden im Straßenverkehr visuell wahrgenommen. Dazu dienen Abblendlicht, Fernlicht, Bremsleuchten, Fahrtrichtungsanzeiger oder auch Innenraumbeleuchtung. Analog zum Abblendlicht, welches der Ausleuchtung des Straßenraumes vor dem Fahrzeug dient, haben Arbeitsscheinwerfer den Zweck der Beleuchtung der Arbeitsfläche von Fahrzeugen wie etwa Einsatzfahrzeugen oder Land- und Forstwirtschaftlichen Geräten unabhängig von Tageslicht.
Ein wesentlicher Bestandteil eines guten LED Arbeitsscheinwerfers ist eine zuverlässige Leiterplatte. Die vorliegende Arbeit behandelt einige Grundlegende Aspekte der Leiterplattentechnologien. Das Thema „Thermomanagement“ erstreckt sich über die gesamte Produktentwicklung. Es stehen einige Technologien zur Verfügung um diesem Problem Herr zu werden: Metallkernleiterplatten, Kupferinlays, Durchkontaktierungen, Dickkupferleiterplatten und auch Wärmeleitfolien. FR4 Platinen ohne Maßnahmen zum Thermomanagement sind nicht geeignet.
Bezüglich der Applikationen auf verschiedenen Leiterplatten gibt es aufgrund von verschiedenen Materialkombinationen einiges zu beachten. Verschiedene LED Bauformen, Temperaturgrenzwerte, Leiterplattenkennzahlen. Lebensdauerbetrachtungen werden derzeit nicht angestellt, es gibt aber Möglichkeiten sich dem Thema zu widmen: Umweltsimulationsprüfungen unter hoher Temperatur sind ein effiziente Methode.
Eine Messung belegt, dass der Einsatz von Wärmeleitfolien notwendig ist. Weiters wird die hohe Effizienz eines guten Dielektrikums bewiesen. Ein Vergleich der verschiedenen genannten Technologien zeigt eindeutig, dass Kupferinlays und Metallkernleiterplatten sehr gute Ergebnisse erzielen.
Inhaltsverzeichnis
3 Leiterplattentechnologien bei LED- Arbeitsscheinwerfern - Inhalt
3.1 Technologies of Printed Circuit Boards in LED Worklamps - Abstract
4 Einführung – Besonderheiten von LED Arbeitsscheinwerfern
4.1 Historie
4.2 Aufbau
4.3 Anforderungen
4.4 Photometrische sowie thermische Grundgrößen und Kennzahlen
4.4.1 Photometrie
4.4.2 Thermik
5 Die aktuellen Leiterplattentechnologien
5.1 FR4
5.1.1 Aufbau PCB bezüglich Leiterschicht
5.2 Metallkernleiterplatte
6 Leiterplattendesign hinsichtlich effizienter Wärmeleitung
6.1 Grundlagen Wärmeleitung – Spezifisch für PCBs
6.2 Dielektrikum
6.3 Thermal Vias
6.4 Kupferinlay
6.5 Dickere Leiterbahnen
6.6 Wärmeleitfolien- u. Pasten
7 Bauformspezifische Applikation von LEDs auf unterschiedlichen Leiterplatten
7.1 Thermische Eigenschaften von LEDs
7.2 Bauformen/Konfigurationen von LEDs
7.2.1 THT (Through Hole Technlogy)
7.2.2 SMD (Surface Mounted Devices)
7.3 Kombinationen mit Leiterplatten
7.3.1 Keramikpackage
8 Möglichkeiten der Lebensdauerabschätzung
8.1 Allgemeines
8.1.1 Badewannenkurve
8.1.2 Lebensdaueruntersuchungen - Versuche
8.1.3 Versuche Beschleunigen - Arrheniusbeziehung
8.2 Lebensdauerbetrachtungen bei High Power LEDs
8.3 Berechnungen
8.3.1 Beschleunigungsfaktor für Simulationen nach Arrhenius
8.3.2 Siemens Norm 29500
8.4 Sonstige Überlegungen
9 Praktische Messungen
9.1 Veranschaulichende Wärmemessung einer High Power LED
9.2 Vergleichsmessung verschiedener Dielektrika
9.3 Messungen an diversen Musterplatinen
9.4 Notwendigkeit einer Wärmeleitfolie
10 Zusammenfassung und Ausblick
10.1.1 CoB (Chip on Board)
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Facharbeit ist die Untersuchung und Analyse verschiedener Leiterplattentechnologien im Hinblick auf ein effizientes Thermomanagement bei modernen LED-Arbeitsscheinwerfern, um eine zuverlässige Funktionalität und Langlebigkeit der Leuchten zu gewährleisten.
- Analyse von Thermomanagement-Technologien wie Metallkernleiterplatten, Kupferinlays und Thermal Vias.
- Untersuchung der thermischen Eigenschaften und Zuverlässigkeit von High-Power-LEDs.
- Durchführung praktischer Wärmemessungen an verschiedenen Leiterplattenkonfigurationen.
- Methoden zur Lebensdauerabschätzung unter Berücksichtigung der Arrhenius-Beziehung.
- Vergleich von Leiterplattenmaterialien hinsichtlich ihrer Wärmeabfuhr-Effizienz.
Auszug aus dem Buch
6.4 Kupferinlay
Es besteht die Möglichkeit, sog. Kupferinlays (kleine, massive Kupferplatten) in die Leiterplatte einzusetzen (bei der Herstellung einzupressen), als Ersatz von thermal Vias oder auch zusätzlich. Die Kupferinlaytechnologie bietet in den meisten Fällen bessere thermische Eigenschaften als Thermal Vias.
Die Inlay- Technologie ermöglicht einen effizienteren Einsatz der Materialien. In Abbildung 21 ist der schematische Aufbau einer PCB mit Kupferinlay ersichtlich.
Das massive Kupferteil (siehe auch Abbildung 22) wird in gesamter Leiterplattendicke eingepresst. Dabei dient das Kupfer zugleich als Lötstelle, und bietet genügend Fläche, um die Wärme des darüber liegenden Bauteils abzuführen. Bei einer LED ist dazu ein Trick anzuwenden. Anode und Kathode können nicht beide auf dem Inlay angelötet werden. In Zusammenarbeit mit der Firma Ruwel wurde auch mit dieser Technologie ein Prototyp entwickelt und bestückt, siehe Abbildung 23.
Zusammenfassung der Kapitel
3 Leiterplattentechnologien bei LED- Arbeitsscheinwerfern - Inhalt: Einführung in die Relevanz von LED-Arbeitsscheinwerfern und die zentrale Bedeutung des Thermomanagements für die Produktentwicklung.
4 Einführung – Besonderheiten von LED Arbeitsscheinwerfern: Historischer Rückblick und Erläuterung der technischen Anforderungen sowie photometrischer und thermischer Grundlagen.
5 Die aktuellen Leiterplattentechnologien: Gegenüberstellung von FR4-Standardplatinen und Metallkernleiterplatten als Lösungsansätze für moderne Anforderungen.
6 Leiterplattendesign hinsichtlich effizienter Wärmeleitung: Detaillierte Untersuchung technischer Designansätze wie Thermal Vias, Kupferinlays, Dickkupfer und Wärmeleitfolien zur Wärmeabfuhr.
7 Bauformspezifische Applikation von LEDs auf unterschiedlichen Leiterplatten: Betrachtung der thermischen Eigenschaften verschiedener LED-Bauformen und deren spezifische Integration.
8 Möglichkeiten der Lebensdauerabschätzung: Erläuterung wissenschaftlicher Methoden zur Zuverlässigkeitsprognose, insbesondere mittels Arrhenius-Beziehung und relevanter Normen.
9 Praktische Messungen: Präsentation der Ergebnisse aus eigenen Versuchsreihen, wie Wärmemessungen an LEDs und Vergleichsanalysen verschiedener Dielektrika und Leiterplatten.
10 Zusammenfassung und Ausblick: Fazit zu den untersuchten Technologien und Ausblick auf zukünftige Entwicklungen wie Keramiksubstrate und Chip-on-Board-Technologien.
Schlüsselwörter
LED, Arbeitsscheinwerfer, Thermomanagement, Leiterplatte, PCB, Metallkernleiterplatte, Kupferinlay, Wärmeabfuhr, Lebensdauer, Arrhenius, Wärmeleitfolie, Dielektrikum, Hochleistungs-LED, Zuverlässigkeit, Thermik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die technologischen Herausforderungen bei der Entwicklung von LED-Arbeitsscheinwerfern, wobei der Fokus auf dem effizienten Thermomanagement von Leiterplatten liegt.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die zentralen Felder sind die Materialwahl für Leiterplatten, Methoden zur Wärmeabfuhr, die thermische Charakterisierung von High-Power-LEDs und die Abschätzung der Produktlebensdauer.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, geeignete Leiterplattentechnologien zu identifizieren, die eine effiziente Wärmeabfuhr ermöglichen, um eine lange Lebensdauer der LEDs in Arbeitsscheinwerfern sicherzustellen.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zur Anwendung?
Es werden Literaturanalysen, die Anwendung mathematischer Beschleunigungsmodelle nach Arrhenius sowie umfangreiche praktische Messungen an verschiedenen Platinenmustern unter kontrollierten Bedingungen verwendet.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden aktuelle Leiterplattentechnologien, Designmaßnahmen zur Wärmeleitung, die thermischen Eigenschaften von LEDs und Methoden zur Berechnung der Lebensdauer ausführlich erläutert.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich primär durch die Begriffe LED, Thermomanagement, PCB, Kupferinlay und Lebensdauerabschätzung charakterisieren.
Warum ist die Wahl des Dielektrikums bei Metallkernleiterplatten so entscheidend?
Das Dielektrikum muss einerseits elektrisch isolieren und andererseits einen möglichst geringen thermischen Widerstand aufweisen, um den Wärmetransfer zur Trägerschicht zu gewährleisten und Degradation zu verhindern.
Welche Bedeutung haben Kupferinlays für das Thermomanagement?
Kupferinlays dienen als massive, wärmeleitfähige Einsätze in der Leiterplatte, die Wärme effizienter von der LED abführen können als herkömmliche Lösungen wie Thermal Vias.
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- Alber Krammer (Author), 2013, Leiterplattentechnologien bei LED Arbeitsscheinwerfern, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1165410
