Technology for thermally optimized electronic modules without printed circuit boards

PCBs provide the critical bottleneck in thermal but also in financial terms (up to 20% of the cost) in the construction of high-power LED-based headlamps. These headlights will pervade the entire car market in the coming years. Apart from a few exceptions in the low-price segment all other types will presumably disappear. The current technical solution, mounting PCBs on huge heatsinks, is an expensive and resource-consuming approach.
<p>The project aims at a more direct strategy - the integration of the electronic components into the material surface itself. This shall be accomplished by a direct "electronic-to-metal" (heatsink) or "electronic-on polymer" technology (thermally conductively filled). The elimination of PCBs shall also optimize recycling and reduce resource consumption. The issue is addressed in the individual work packages and can be summarized as follows: 1) application of a ultra-thin, highly insulating (non-porous) but highly heat-conductive layer on the surface, 2) printing the conductive paths on this surface (adhesion promoter necessary + partially 3D); 3) assembly on 3-D surface (adaptation of technical infrastructure) 4) soldering / bonding on extremely heat-conducting surfaces (no standard reflow possible!) and 5) corrosion-resistant encapsulation of the modules in the automotive standard.
<p>TOLLE-Tech has set itself the goal to integrate these new thin film hybrid systems as PCB replacement with maximized heat dissipation in thermally critical components of automotive headlamps and to establish these systems as the latest world leading LED technology.

The consortium of a producer (ZKW), a surface technology company (Attophotonics) and an expert in the field of thermal simulation and sensor and measurement technology (Center for Integrated Sensor Systems (ZISS), Danube University Krems) spans the complete value chain – the technical University of Vienna as an external partner provides unique thermal measuring equipment. Thus sufficient R & D competence, technical development and future production in Austria are ascertained.
<p>The focus of the project corresponds with the topic 2.1.2.6 according to the call guidelines as new optical and electronic functionalities are realized through innovative surface treatment via additive production methods, CVD and sol-gel, and connection methods such as surface structuring at the atomic level. Thereby it will be possible to realize new integrated systems on non-planar surfaces (heatsink).

The results of the project will allow the construction of modules being more resource-saving, cost-effective and setup independent from third party suppliers for the latest and next generation of LED headlights. The project partner ZKW supplies the world market with these products and has already established itself at the forefront in this segment.

Leiterplatten stellen den kritischen Engpass in thermischer aber auch in finanzieller Hinsicht (bis 20% der Kosten) beim Bau von starken LED-basierten Scheinwerfern dar. Diese Scheinwerfer werden in den nächsten Jahren den gesamten Automarkt durchdringen – alle anderen Typen werden bis auf wenige Ausnahmen im Niedrigpreissegment verschwinden. Die derzeitige technische Umsetzung, Leiterplatten auf enormen Kühlkörpern zu montieren, stellt einen teuren und Ressourcen-aufwendigen Lösungsansatz dar. Das Projekt strebt eine direktere Strategie an - die Integration der Elektronik in die Materialoberfläche selbst. Dies soll durch eine unmittelbare „Elektronik-auf-Metall“ (Kühlkörper)- bzw. „Elektronik-auf-Polymer“-Technologie (thermisch-leitend gefüllt) ermöglicht werden. Der Wegfall der Leiterplatten soll darüber hinaus das Recycling optimieren und den Ressourcenverbrauch verringern. Die Problematik wird in den einzelne Arbeitspaketen adressiert werden und lässt sich wie folgt zusammenfassen: 1) Aufbringen einer ultradünnen, hochisolierenden (porenfreien) aber hochwärmeleitenden Schicht auf eine Oberfläche, 2) Drucken der Leiterbahnen auf diese Oberfläche (Adhäsionsvermittler nötig + partiell 3D), 3) Assemblieren auf der 3-D-Oberfläche (Adaptierung der bestehenden Maschinenparks) 4) Löten/Kleben auf extrem wärmeleitenden Oberflächen (normaler Reflow nicht möglich!) und 5) korrosionsfeste Verkapselung der Baugruppen im Automobilstandard.
Ziel von TOLLE-Tech ist, diese neuartigen elektronischen Dünnschicht-Hybridsysteme als Leiterplattenersatz mit maximierter Wärmeableitung in thermisch kritischen Baugruppen von Automobilscheinwerfern zu integrieren und diese Aufbauten als neueste weltweit führende LED-Technologie zu etablieren.
Das Konsortium aus einem Produzenten (ZKW), einer Oberflächentechnologiefirma Attophotonics und einem Experten im Bereich thermischer Simulation sowie Sensor- & Messtechnik (Zentrum für Integrierte Sensorsysteme (ZISS) der Donau-Universität Krems) durchspannt die gesamte Wertschöpfungskette - im Bereich thermischer Messtechnik ist die TU-Wien ein externer Partner mit Spezialequipment. Damit sind die erforderliche F&E-Kompetenz, die technische Weiterentwicklung und zukünftig auch die Produktion am Standort Österreich sichergestellt. Der Fokus des Projekts entspricht dem Schwerpunkt 2.1.2.6 ,lt. Ausschreibungsleitfaden da neue optische und elektronische Funktionen durch innovative Oberflächenbehandlung via additiver Produktionsverfahren, CVD und Sol-Gel, mit Verbindungsverfahren durch Oberflächenstrukturierung auf atomarer Ebene erzeugt werden. Dadurch können neuartige integrierte Systeme auf nicht-planaren Oberflächen (Kühlkörper) realisiert werden. Die Erkenntnisse werden den Bau Ressourcen-schonender, kostengünstiger, von Drittlieferanten unabhängigerer Baugruppen für die allerletzte und kommende Generation von LED-Scheinwerfern erlauben. Der Projektpartner ZKW versorgt den Weltmarkt mit diesen Produkten und ist bereits an vorderster Front in diesem Segment etabliert.