CeraPad – Trägersubstrat mit integriertem ESD-Schutz

Die Leiterplatte ist längst nicht mehr nur Trägermaterial und Umverdrahtungsebene für Bauelemente. Immer mehr Funktionen werden direkt in die Leiterplatte eingebettet. TDK ist es nun gelungen, mit CeraPad™ ein sehr dünnes, keramisches Trägersubstrat mit integriertem ESD-Schutz speziell für LEDs zu entwickeln.

LEDs sind State-of-the-Art in der Beleuchtungstechnik für Gebäude und im Außenbereich. Darüber hinaus sind LEDs in Smartphones für Blitzlicht- und Taschenlampenfunktionen gang und gäbe. Scheinwerfer und Beleuchtungssysteme für Fahrzeuge aller Art basieren ebenfalls zunehmend auf dieser Lichttechnik. Trotz ihrer großen Vorteile wie hoher Energieeffizienz und Langlebigkeit haben LEDs einen entscheidenden Nachteil: Wie alle Halbleiter weisen sie eine hohe Empfindlichkeit gegen ESD auf. Daher sind bei bisherigen Lösungen in Abhängigkeit von Serien- und Parallelschaltung der einzelnen LEDs entsprechende diskrete Schutzbauelemente nötig. Dafür eignen sich TVS-Dioden oder – deutlich besser – platzsparende und preislich attraktive Vielschichtvaristoren aus der EPCOS CeraDiode^® Serie, die kein temperaturabhängiges Derating aufweisen und mit einem Lötprozess statt einem aufwendigen Wirebonding auf der Leiterplatte montiert werden. Abbildung 1 zeigt eine konventionelle Lösung zum ESD-Schutz von LEDs.

Abbildung 1:

Bei herkömmlichen LED-Leuchten wird das ESD-Schutzbauelement – in diesem Fall eine TVS-Diode – neben der LED auf dem Substrat platziert.

Der diskrete Ansatz hat allerdings den entscheidenden Nachteil einer geringen Ausnutzung der Leiterplattenfläche für das eigentliche Leuchtmittel. Zudem behindert das Schutzbauelement die optimale Ausbreitung des von der LED erzeugten Lichts und verschlechtert damit die Effizienz der LED.

Um diese Problematik zu lösen, hat TDK mit CeraPad einen völlig neuen Ansatz gewählt, bei dem die langjährige Erfahrung in der Entwicklung von miniaturisierten Vielschicht-ESD-Schutzbauelementen und LTCC-Substraten sehr elegant kombiniert wurde: CeraPad ist ein extrem dünnes Keramiksubstrat mit integriertem ESD-Schutz, das die Forderung nach weitestgehender Miniaturisierung mit größtmöglichem ESD-Schutz hervorragend vereint. In empfindlichen Anwendungen sorgt CeraPad so für den bestmöglich erreichbaren ESD-Integrationsgrad. Auf zusätzliche diskrete ESD-Bauelemente kann damit ganz verzichtet werden, womit sich die Montagedichte der LEDs massiv erhöhen lässt, was auch zu einer Kostenersparnis durch die bessere Flächennutzung des Substrats führt. Außerdem steigt die Zuverlässigkeit durch den Wegfall von TVS-Dioden und Bonddrähten sowie den damit verbundenen kostenintensiven Bestückungs- und Prozessschritten. Abbildung 2 zeigt einen Schnitt durch das neue Trägermaterial.

Abbildung 2:

Zwischen den beiden Vias ist die Vielschichtstruktur des eingebetteten Überspannungsschutzbauelements zu erkennen.

CeraPad ist den Silizium basierenden Zenerdioden weit überlegen

Dieser funktionale keramische Wafer ist ein idealer LED-Träger, der mit einer ESD-Festigkeit von bis zu 30 kV Zenerdioden, die nur 8 kV bieten, um mehr als das Dreifache übertrifft. Darüber hinaus lassen sich damit kundenspezifische Chip-Scale Packages (CSP) für LED-Standardelemente in den Bauformen CSP0707 bis CSP1515 mit einer wesentlich höheren Packungsdichte realisieren.

CeraPad bietet außerdem einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 6 ppm/K, der nahezu identisch ist mit dem von siliziumbasierten LEDs. Dadurch entstehen bei einem Temperaturwechsel keine kritischen mechanischen Spannungen zwischen Substrat und LED. Darüber hinaus zeichnet sich das Keramiksubstrat durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit von mindestens 22 W/mK aus, welche durch thermische Silber-Vias noch weiter gesteigert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Biegefestigkeit von 250 MPa bei einer Substratstärke von nur 300 µm bis 400 µm.

Die Terminierungen des CeraPad können je nach Kundenanforderung sowohl für SAC-Standard-Reflow-Lötprozesse (SAC: Sn/Ag/Cu, 260 °C) als auch für eutektisches Bonden (AuSn, 320 °C) ausgelegt werden. Abbildung 3 zeigt das CeraPad Substrat sowie eine mit CeraPad realisierte LED-Einheit.

Abbildung 3:

Mit CeraPad wird der ESD-Schutz direkt unter der LED im Substrat eingebettet. Dank Chip-scale Packaging ermöglicht dies eine deutlich höhere Packungsdichte im Vergleich zu bisherigen Lösungen.

Adaptives Fahrlicht durch LED-Matrix-Arrays

Das CeraPad eignet sich nicht nur als Trägersubstrat für LED Dies mit integriertem ESD-Schutz, sondern kann – ähnlich wie eine konventionelle Leiterplatte – gleichzeitig auch als Umverdrahtungsebene genutzt werden. Bis zu 10 solcher Umverdrahtungsebenen lassen sich so realisieren – und das ohne Einbußen bei der thermischen Performance hinnehmen zu müssen. Zum Vergleich: Mit konventionellen IMS (Isolated Metal Substrate) sind nur 5 Umverdrahtungsebenen sinnvoll realisierbar, wobei mit jeder zusätzlichen Ebene die thermische Leitfähigkeit sukzessive abnimmt. Somit ist es möglich, auf dem CeraPad Substrat bis zu 1000 dicht gepackte LEDs zu platzieren, die nach individuellem Kundenwunsch einzeln ansteuerbar sind (Abbildung 4).

Entwickler können mit dieser Technologie neuartige hochauflösende Lichteffekte auf engstem Raum realisieren, wie etwa in Multi-LED-Blitzlichtern von Smartphones, Kfz-Innenbeleuchtungssystemen und in adaptiven Frontscheinwerfern zur Verbesserung der Insassensicherheit.

CeraPad ist eine Erweiterung des CeraDiode Portfolios von TDK, das leistungsstarke keramische ESD-Schutzbauelemente mit innovativer Wafer-Technologie sowie modulare Lösungen umfasst. Mit CeraPad bietet TDK jetzt attraktive kundenspezifische Packaging-Lösungen, die den technologischen Herausforderungen hinsichtlich der zunehmenden Empfindlichkeit von ICs gerecht werden und die Miniaturisierung von LED Modulen weiter vorantreiben. Kunden eröffnen sich damit attraktive Möglichkeiten, das Licht-Design zu optimieren und die Lichtausbeute von LEDs weiter zu steigern.

Abbildung 4:

Mit diesem CeraPad Musterdesign ist es möglich, ein 16 x 16 LED-Array bestehend aus CSP0707 LEDs zu realisieren, bei dem jede LED einzeln ansteuerbar ist. Auf dieser Grundlage können zum Beispiel adaptive Fahrzeugscheinwerfer mit einem kundenspezifischen Layout mit bis zu 1000 LEDs entwickelt werden.