Elektronische Halbleiterelemente

Dr. Thomas Nägele, DELO Industrie Klebstoffe, Landsberg

Light Emitting Diode – kurz LED – ist das Zauberwort, wenn es heute um Licht geht. Die elektronischen Halbleiterelemente können durch die Auswahl der Materialien und der Dotierung verschiedenes Licht erzeugen, und zwar in einem eng eingegrenzten Spektralbereich. Nachdem die LED lange Zeit aufgrund geringer Lichtausbeute und fehlender Verfügbarkeit aller Lichtfarben überwiegend in Nischenanwendungen eingesetzt wurden, erschließen sich der LED nun weite Einsatzbereiche wie beispielsweise in der Beleuchtungstechnik. Mitentscheidend für diesen Erfolg war die Entwicklung von sogenannten III-V Halbleitern, die im blauen und grünen Spektralbereich ihr Licht emittieren und die die Erzeugung von weißem Licht ermöglichen. Daneben wurde in den vergangenen zehn Jahren an einer Vervielfachung der Intensität der LEDs gearbeitet. Mittlerweile stehen so leistungsfähige LED-Dies zur Verfügung, dass sich weitere Anwendungsbereiche eröffnen: die Polymerisierung von photoinitiiert härtenden Klebstoffen und UV-Lacken, die bisher ausschließlich über klassische Entladungslampen ausgehärtet wurden.

Der Einsatz von LED-Technologie bietet bei der Aushärtung von Klebstoffen prinzipiell folgende Vorteile gegenüber konventionellen Strahlern:

Erste LED-Handlampen zur industriellen Klebstoffhärtung wurden auf dem Markt bereits vorgestellt. In der Praxis erwies es sich als problematisch, dass die Lampen nur eine sehr begrenzte Zeit bei voller Leistung betrieben werden können, da eine effiziente Kühlung fehlt. Die Halbleiterlichtquellen wandeln nur ca. 15 % bis 20 % der elektrischen Energie in Licht um, den Rest in Wärme; daher ist ein richtiges Thermomanagement Voraussetzung, um die LEDs optimal zu nutzen.

Will man alle Vorteile der LED-Technologie nutzen, muss man bei Design und Entwicklung der Lampen eine Vielzahl von Dingen beachten, die sich aus langjähriger Praxis und Erfahrung mit der Klebstoffherstellung und -verarbeitung herleiten lassen. Als erfolgreicher Systemanbieter stellt DELO Industrie Klebstoffe jetzt eine völlig neue Generation von Aushärtelampen auf Basis von Halbleiterlichtquellen vor. Ziel der Geräteentwickler des Unternehmens war, eine sehr intensive Lichtquelle zur Aushärtung von Acrylat- und Epoxydharzklebstoffen zu entwickeln, die sich optimal in Fertigungsprozesse integrieren lässt. Dazu wird das Licht von bis zu 20 auf einer Platine dichtest gepackten LED-Dies in einen Konzentrator eingekoppelt. Diese Optik besitzt am Ausgang einen Durchmesser von 17 mm und eine Abstrahlcharakteristik von 30°, wie sie für einen Flüssigkeitslichtleiter entsprechender Lichtleiterlampen typisch ist.

Die Platine der Delolux 80 ist flüssigkeitsgekühlt, der eigentliche LED-Kopf ist über einen flexiblen Schlauch, der sowohl die Kühlung als auch die Versorgungs- und Überwachungsleitungen enthält, mit dem Steuermodul verbunden.

Der Kühlung und Überwachung des LED-Kopfes kommt eine zentrale Rolle zu. Erst eine effektive Flüssigkühlung ermöglicht dauerhaft die hohen elektrischen Leistungen, die notwendig sind, um die entsprechenden Lichtintensitäten zu erreichen. Auf der anderen Seite werden für den Betrieb sicherheitsrelevante Parameter wie Temperatur an der Platine und in der Kühlflüssigkeit und deren Durchflussmenge direkt am LED-Kopf überwacht, um etwaige Fehler im Prozess sofort rückzumelden bzw. eine Beschädigung der LEDs im Störungsfall zu verhindern.

Am Austritt der Optik werden Bestrahlungsstärken von 1,2 W/cm² auf einer Fläche von ca. 230 mm² erreicht. In der Tabelle ist die Lichtleistung, wie sie für existierende Lichtleiterlampen typisch ist, im Vergleich zur Delolux 80 zusammengestellt. Damit weist die Delolux 80 im sichtbaren Spektralbereich nur eine geringfügig niedrigere Lichtleistung wie jetzige Entladungslampen mit Lichtleiter auf. Die UVA-Leistung, über die Lichtleiterlampen zusätzlich verfügen, lässt sich in vielen Anwendungen nicht nutzen, z. B. bei der Verklebung von Kunststoffen, da der Kunststoff unterhalb 400 nm nicht transparent ist. Somit werden mit der neuen LED-Lampe ähnliche Taktzeiten erreichbar sein, wie mit konventionellen Lichtleiterlampen. Bild 2 zeigt als Beispiel den Aushärteverlauf von DELO-Photobond AD475, einem lichthärtenden Acrylat. Der Klebstoff wird jeweils mit der LED-Lampe bzw. mit einer Lichtleiterlampe mit der gleichen Intensität im sichtbaren Spektralbereich belichtet. Bei der Belichtung mit einer Lichtleiterlampe addieren sich noch einmal 60 mW/cm² UVA-Anteil dazu. Man sieht, dass der Reaktionsverlauf unabhängig von der verwendeten Lampe in etwa zehn Sekunden abgeschlossen ist. Bei Belichtung mit der LED-Lampe polymerisiert der Klebstoff sogar etwas schneller trotz der geringeren Gesamtdosis an Licht.

Neben der maximal zu erreichenden Intensität spielt der Einschwingvorgang auf ein stabiles Intensitätsniveau ebenfalls eine wichtige Rolle für den Prozess. Bei LEDs sind Temperatur und abgegebene Lichtmenge fest miteinander verknüpft: je wärmer der Halbleiterchip, desto geringer die Lichtausbeute. Bei vielen bisher eingesetzten Kühlkonzepten wird auf aktive oder passive Luftkühlung gesetzt, die eine relativ lange Thermalisierungszeit nach dem Einschalten mit sich bringt.

Erst nach ca. einer Minute stellt sich eine konstante Temperatur und somit eine konstante Intensität ein. Bei der Delolux 80 hingegen ergibt sich aufgrund einer Flüssigkeitskühlung ein Temperaturverlauf, der schon nach ungefähr 100 ms ein stabiles Niveau erreicht.

Ab diesem Zeitpunkt bleibt die Intensität konstant. Somit sind auch sehr schnelle Ein- und Ausschaltvorgänge mit konstanter Intensität realisierbar.Grundvoraussetzung für die Aushärtung von Klebstoffen ist die spektrale Übereinstimmung von Absorption des Photoinitiators und der Emission der Lampe. Wirklich intensive LED-Dies im blauen Spektralbereich werden von der Industrie derzeit bei Wellenlängen um 400 nm und 460 nm angeboten. Beide Wellenlängen eignen sich ideal, um lichthärtende Acrylate oder lichtaktivierbare Epoxyde zu polymerisieren und können wahlweise als Lampenkopf der Delolux 80 gewählt werden.

Nahezu alle lichthärtenden Acrylate besitzen eine Absorption bis 420 nm bzw. 440 nm und können mit Wellenlängen um 400 nm ausgehärtet werden. Für lichtaktivierbare Epoxidharze empfiehlt es sich Wellenlängen um 460 nm zur Polymerisierung zu wählen. Lichtaktivierbare Epoxidharze können mit Licht genauso bis zur Endfestigkeit ausgehärtet werden wie Acrylate, besitzen darüber hinaus die herausragende Eigenschaft der Voraktivierbarkeit. Dazu wird der Klebstoff mit einer geeigneten Intensität für wenige Sekunden belichtet. Während einer darauf folgenden Offenzeit ebenfalls von wenigen 10 Sekunden kann ein weiteres undurchstrahlbares Teil gefügt werden und der Klebstoff härtet ohne weitere Lichtzufuhr aus. Die Stabilität dieses Prozesses wird maßgeblich von den Eigenschaften und dem Langzeitverhalten der verwendeten Lampentechnologie mit bestimmt.

Hier bietet die LED-Technologie spezifische Vorteile gegenüber Entladungslampen:

Die Verwendung von Halbleiterlichtquellen bietet herausragende Vorteile beim Aushärten von Klebstoffen im Prozess. Vor allem durch die lange Lebensdauer in Kombination mit den Regelungsmöglichkeiten sind sie jetzigen Entladungslampen deutlich überlegen. Zur Erreichung hoher Intensitäten in Kombination mit langer Lebensdauer ist ein ausgeklügeltes Thermomanagement Grundvoraussetzung. All diese Anforderungen wurden dank der jahrzehntelangen Erfahrung als Klebstoffhersteller und Systemanbieter in der Entwicklung der Delolux 80 berücksichtigt und machen die Lampe damit zu einem idealen Werkzeug zur Polymerisierung von Klebstoffen in hoch automatisierten Prozessen, bei denen neben Taktzeit die Prozesssicherheit höchste Priorität besitzt.

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