Wärmewiderstand von Alu-Leiterplatten berechnen

[CRI 93+ / Ra 93+]

Hier kann man den Wärmewiderstand von Alu-Leiterplatten berechnen:

Tool zur Berechnung der Wärmeabfuhr und der Temperaturdifferenz von Aluminiumleiterplatten

Mit den Vorgabewerden ergäben sich für die Samsung LED 3535 --> 2,3mm*3,3mm=7,6 mm^2 Kontaktfläche (nicht Grundfläche) der LED 50°C/W und für 5 Watt Rth=251°C.

Den mit Abstand größten Einfluss hat die Dicke der Isolations/Klebeschicht. Der Hersteller LeitOn geht da "nur" bis zu 70 µm herunter (für die bei LEDs üblichen Spannungen sicherlich kein Problem), das halbiert den Wärmewiderstand im Vergleich zu den Vorgabewerten im Rth-Rechner auf immer noch stattliche 25,5°C/W. Das ist aber im Vergleich zu den 6 °C/W der LED immer noch sau-schlecht.
Und der Übergang Aluplatine -> Kühlkörper kommt natürlich nach wie vor immer noch hinzu!

Allerdings müsste man noch die tatsächlichen Daten der Platine haben, aber 70 bis 140 µm für die Klebeschicht dürften durchaus üblich sein...

IMHO Einmal mehr ein mehr als triftiger Grund, endlich LEDs auf Keramikplatine anzubieten!
Insbesondere bei den winzigen Kontaktflächen von nur z.B. 7,6 mm^2 (Samsung 3535) für eine 5-Watt-LED ist das ganz offensichtlich dringend notwendig!

Wünschenswert wären also 10..35µm Stärke der Isolations-Klebeschicht zwischen Kupfer und Platine.

Hinweis: die Stärke der Kupferschicht, sowie die Stärke des Alus haben nahezu keinen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit. Die Stäke des Alus aber sicherlich ein wenig auf die Wäreverteilung und damit die Wärmeübertragung auf den Kühlkörper.

@Lumitronix:

Welche Daten (insbesondere Stärke der Klebeschicht) haben die von euch verkauften Alukern-Platinen?

Und gilt das dann für alle eure LEDs auf Platine, oder gibt's da viele verschiedene Platinen?

[Achim H]

Beispiel für ein Alu mit 1cm x 1cm x 1,5mm:

Alu hat einen Wärmeleitwert von 236W/m*K.
Der Kehrwert (Zähler und Nenner werden vertauscht) ist 1/236 m*K/W = 0,00424m*K/W.

Für die Umrechnung in einen Wärmewiderstand sind Fläche und Dicke des Material (in Meter) erforderlich.
Bei einer Kantenlänge von 1cm wäre die Fläche 1x1cm = 1cm² = 0,0001m².
Bei einer Dicke von 1,5mm wäre diese 0,0015m dick.

Kehrwert x Dicke / Fläche =
0,00424m*K/W x 0,0015m / 0,0001m² = 0,0636K/W


Edit:
1cm x 1cm sind 0,0001m² (da war eine Null zuviel).

[P.Sparenborg]

Wir verwenden tatsächlich verschiedene Hersteller und dadurch kommen auch unterschiedliche Wärmeleitwerte zustande. Alle unsere 10x10mm und Star Platinen aus Alu liegen aber im Bereich zwischen 1.0-1.3 W/mk
Wir haben übrigens auch Kermaikplatinen für XPE/XPG und ähnliche Pad Layouts. Aufgrund der schwierigen Verarbeitung bieten wir diese aber nicht im Shop an. Für Leistungen bis ca. 3W sind auch die üblichen Aluminiumplatinen technisch vollkommen ausreichend.

[Achim H]

Alle unsere 10x10mm und Star Platinen aus Alu liegen aber im Bereich zwischen 1.0-1.3 W/mk

Eine 1x1cm Alu-Platine in 1,5mm Dicke mit 1,0 bis 1,3 W/mK hätte damit einen Wärmewiderstand von 11,5-15 K/W.


Edit:
Fehler in der Formel.

[P.Sparenborg]

Hallo Achim,

ich habe noch mal nachgeschaut und wir verwenden auch einzelne Materialien die auf >1.5W/mk kommen. Aber teurere Materialien verwenden wir in der Regel nicht.
In deiner Rechnung muss glaube ich ein Fehler sein. Ich nehme an, dass du eine Kommastelle verschoben hast. Ich komme auf 10-15 K/W bei den 10x10mm Platinen(bei 1-1.5W/mk). Dieser Wert erscheint mir auch sehr realistisch und passt ganz gut. Ich lasse das aber Montag noch mal von einem Ingenieur nachrechnen, ich bin physikalisch als BWLer nicht unbedingt immer ganz fehlerfrei

[Achim H]

Da ist tatsächlich ein Fehler in der Formel. Und zwar bei der Fläche.
1cm = 0,01m. Und das im Quadrat sind nur 0,0001m² und nicht 0,00001m². Da war eine Null zuviel.

Ich hatte mich schon vorher gewundert, dass die Ergebnisse dermaßen schlecht ausfielen.
Manchmal bin auch ich blind.


Die Technik darfst Du trotzdem konsultieren.
Bei den SmartArrays scheint nämlich ein Fehler zu sein.

Nur mal als Beispiel (die Wärmewiderstände stimmen alle nicht):
Laut Datenblatt wird für das "SmartArray S" ein Wärmewiderstand von 2,4 K/W angegeben.

Die Led hat 17 bis 24 K/W.
Das Alu (1,3 W/mK) hätte bei den Ausmaßen einen Wärmewiderstand von 4,18 K/W oder schlechter.
In Summe mindestens 21,18 K/W.

Der Wärmewiderstand wird nicht dadurch besser (geringer als das Alu), weil dort 12 Leds montiert wurden.

[t_schulz]

Hallo,

so weit ist der rechnerische Wert vom gemessenen Wert nicht entfernt.

Wenn wir 1,3W/mK für theoretische Betrachtungen zugrundelegen, erhalten wir 0,77 mK/W.

Das SmartArray ist 0,8mm stark und 7x50 mm^2 In den Außenabmessungen.

Wir erhalten also

Rth= 0,77 mK/W * (0,8*(10^-3) m / 0,35*(10^-3) m^2)
Rth = 1,76 K/W

Die Wärmewiderstände der Dioden auf der Platine sind wärmetechnisch parallel geschaltet.
Es ergibt sich ein Gesamtwiderstand der LEDs von 1,42 K/W - 2 K/W.

Rechnerisch erhalten wir den Gesamtwärmewiderstand von 3,18 K/W - 3,76 K/W.
Das ist in der Größenordnung der gemessenen Werte.

Die Parallelschaltung der Wärmewiderstände der LEDs wird angewandt, wenn aus der Gesamtleistung des Moduls auf die Temperatur einer Diode geschlossen wird.
Alternativ kann auch ein 12-tel der Leistung zur Berechnung genommen werden, dann mit dem Wärmewiderstand einer LED.

Gruß
Thomas

[CRI 93+ / Ra 93+]

Wir verwenden tatsächlich verschiedene Hersteller und dadurch kommen auch unterschiedliche Wärmeleitwerte zustande. Alle unsere 10x10mm und Star Platinen aus Alu liegen aber im Bereich zwischen 1.0-1.3 W/mk
Wir haben übrigens auch Kermaikplatinen für XPE/XPG und ähnliche Pad Layouts. Aufgrund der schwierigen Verarbeitung bieten wir diese aber nicht im Shop an. Für Leistungen bis ca. 3W sind auch die üblichen Aluminiumplatinen technisch vollkommen ausreichend.

Das sehe ich anders: Es ist ein immenser Unterschied, ob 3 Watt auf z.B. 7,6 mm^2 anfallen oder auf z.B. der 4fachen Fläche. Die absolute Leistung nützt einem gar nichts bei der Beurteilung, ob das Material geeignet ist. Nur die Leistung pro Fläche ist interessant!

Könnt ihr denn nicht rausbekommen, welche Stärke die Klebeschicht zwischen Kupfer und Alu bei den von euch eingekauften Platinen hat? Denn die Stärke dieser Klebeschicht bestimmt zu 99% die Gesamt-Wärmeleitfähigkeit der Platine.

[Edit]
Die PowerBar-LEDs haben 19,5mm^2 Kontaktfläche, bei der Leiton-Aluplatine mit 140µm sind das bei 2,5W ca. 45°C Temperaturdifferenz + 6..9°C an innerhalb der LED selbst, also bis zu 54°C. Hätte der Kühlkörper 50°C, wäre der LED-Chip bei 104°C --- 135°C darf er maximal, allerdings sicherlich nicht bei vollem Strom.
800 mA sind nur bei max. 45°C Umgebungstemperatur erlaubt, bei 100°C noch max. 310 mA ---- aber nur bei 35°C/W Gesamt-Wärmewiderstand, den die Platine eher nicht erfüllen kann. Bzw. man müsste die Stärke der Klebschicht wissen, evtl. kann die Platine das gerade so eben erfüllen (z.B. die Leit-On-Platinen mit dünnstmöglicher Klebeschicht)
[/Edit]

Was ist an der Verarbeitung von Keramikplatinen schwierig? Ich denke das einzige Problem ist, dass man beim anlöten von Litzen ruck-zuck die LED abgelötet hat, da die Wärme so gut weitergegeben wird. Allerdings ist das im Privatbereich kein echtes Problem, denn ihr lötet ja gezwungenermaßen bleifrei und Privatleuchte verbleit. Bleifrei hat "freundlicherweise" eine erheblich höhere Schmelztemperatur als verbleit...

[Achim H]

Die Wärmewiderstände der Dioden auf der Platine sind wärmetechnisch parallel geschaltet.
Es ergibt sich ein Gesamtwiderstand der LEDs von 1,42 K/W - 2 K/W.

Rechnerisch erhalten wir den Gesamtwärmewiderstand von 3,18 K/W - 3,76 K/W.

Auf der Produktseite wird das 6 Watt SmartArray als Typ F angeboten.
Laut Datenblatt wären das für das gesamte Modul 1,99 K/W.

Wenn die 12 Leds schon einen Wärmewiderstand von 1,42 bis 2 K/W haben, dann hätte die Platine einen maximalen Wärmewiderstand von 0,57 K/W. Das enspricht einem Alu mit 4,5 W/mK oder besser.

Das Alu ist damit um mindestens 50% besser als das beste Material von LeitOn (bestenfalls 3 W/mK).
Und das kann ich irgendwie nicht recht glauben.

Ich habe mir die letzten Tage so einige Leiterplatten-Hersteller angeschaut, konnte aber keinen finden, der ein so tolles Material hat.

[tvetter]

Die Wärmewiderstände der Dioden auf der Platine sind wärmetechnisch parallel geschaltet.
Es ergibt sich ein Gesamtwiderstand der LEDs von 1,42 K/W - 2 K/W.

Rechnerisch erhalten wir den Gesamtwärmewiderstand von 3,18 K/W - 3,76 K/W.

Auf der Produktseite wird das 6 Watt SmartArray als Typ F angeboten.
Laut Datenblatt wären das für das gesamte Modul 1,99 K/W.

Wenn die 12 Leds schon einen Wärmewiderstand von 1,42 bis 2 K/W haben, dann hätte die Platine einen maximalen Wärmewiderstand von 0,57 K/W. Das enspricht einem Alu mit 4,5 W/mK oder besser.

Das Alu ist damit um mindestens 50% besser als das beste Material von LeitOn (bestenfalls 3 W/mK).
Und das kann ich irgendwie nicht recht glauben.

Ich habe mir die letzten Tage so einige Leiterplatten-Hersteller angeschaut, konnte aber keinen finden, der ein so tolles Material hat.

Könnte es nicht sein, dass der Wärmewiederstand zwischen dem Ts-Point -Chip größer ist als der zwischen "gesammte Unterseite" -Chip?

[MarkStok]

90/5000
Meiner Meinung nach, ja ... Vor kurzem habe ich darüber auf http://pcb-technoservice.eu/de/aktuelles gelesen