LED-Wärmemanagement leicht gemacht

Robuste Kühlleistung für langfristige Zuverlässigkeit

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Wie oberflächenmontierte Leistungstransistoren benötigen auch lichtemittierende Dioden (LEDs) ein kosteneffektives Wärmemanagement, um eine langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Die Farbkonsistenz und der Leistungswert von LEDs werden direkt durch ein effektives Wärmemanagement beeinflusst. Fortschritte in der Entwicklung von Bauelementen und dem Wärmemanagement für LEDs gleichen der für Netzteile aus der Surface-Mount Technology (SMT, Oberflächenmontage der Bauelemente) angewandten Technologie an, da LEDs mit mehr als einem Watt fast immer SMT-Bausteine sind. Dies liegt daran, dass die axialen Leitungen zum Chip in einem bedrahteten Gehäuse (auch Package genannt) nicht genug Wärme von der LED ableiten.

Rick Samuelson, Justin Kolbe und Nicolas Bruijnis, Henkel Corporation

Drahtgebondete Oberflächenmontierte Halbleiterpakete – mit wärmeleitenden Klebstoffen oder Lötmitteln mit hohem Schmelzpunkt (HMP/high melting point) – sind die am häufigsten verwendeten Packungsmethoden für Hochleistungs-LEDs, während axial-verdrahtete Bauelemente häufiger nur mit geringer Leistung zu finden sind.

Die Auswirkungen der Temperatur

LEDs weisen mehrere temperaturabhängige Eigenschaften auf: Die Farbe oder Wellenlänge ändert sich mit der Temperatur. Mit steigender Chiptemperatur wird die Wellenlänge der Farbe länger.

λ / ∆Τ = Κ

∆λ = Änderung der dominanten Wellenlänge (nm)

∆Τ = Änderung der Chipverbindungstemperatur (°C)

Dies ist bei Weißlicht besonders wichtig. Das menschliche Auge kann bei Weißlicht schon geringe Farbänderungen erkennen. Wenn LEDs in einer Array angeordnet sind, erzeugt ein einheitlicher Wärmewiderstand von einem Chip zur nächsten eine einheitliche Farbe. Der Einsatz eines Substrats oder Trägermaterials, das diese Wärmefähigkeit bietet, wird zur Erzielung bester Lichtleistung empfohlen. Aufgrund des geringen Wärmewiderstands von isolierten Metallsubstraten (IMS) der Art TCLAD im Vergleich zu Standard-FR-4 PCB-Substraten wird die Chiptemperatur weniger stark durch die geringen Änderungen des Wärmewiderstands an der Sperrschicht zum Gehäuse beeinflusst, der bei zinn-eutektischen oder Epoxid-Chipmontagetechniken entsteht.

Der Leistungswert oder die Wattdichte ist direkt mit der Lichtleistung verknüpft. Je mehr Leistung an die LED angelegt wird, während die gewünschte Chiptemperatur gehalten wird, desto höher ist die Lichtleistung. Es ist auch möglich, die LEDs mit guten Wärmemanagementtechniken enger innerhalb einer Baugruppe anzuordnen, wodurch die Auswirkungen der Temperatur verringert werden.

Schließlich bestimmt die Sperrschichttemperatur die Standzeit der LED. Der Wärmeanstieg in LEDs wird durch die Verluste erzeugt, die nicht in Lichtenergie umgewandelt wird.

Ρ =Ι2 R

Allgemein weist ein Abfall der Lichtleistung um 50 Prozent bei einem konstanten Durchlassstrom darauf hin, dass die LEDs das Ende ihrer Standzeit erreicht haben. Mit dem richtigen Wärmemanagement erreichen LEDs Standzeiten von mehr als 100.000 Stunden.

Zusammenfassung der Wärmekosten

Besseres Wärmemanagement gestattet einen höheren Durchlassstrom an der LED, was die Lichtausbeute erhöht, sodass eine geringere Anzahl von LEDs für die gewünschte Lichtleistung ausreicht. Wird die Baugruppe bei konstanter Leistung kühler gehalten, wird mehr Licht pro Chip erzeugt. Ein wesentlicher Teil der elektrischen Energie wird in einer LED nicht in sichtbares Licht, sondern in Wärme umgewandelt, die effizient vom Chip abgeleitet werden muss.

Methoden des Wärmetransports

Die Bestimmung des Ausgangspfads für die Wärmeenergie ist wichtig. Konduktion, Konvektion und Strahlung sind die wesentlichen Wege zum Ableiten von Wärme aus dem LED-Chip. Die Konduktion oder Wärmeübertragung durch einen Festkörper ist der effizienteste Wärmepfad, gefolgt von der Konvektion, die üblicherweise den letzten Wärmepfad zur Übertragung an die Umgebungsluft darstellt. Die Strahlung ist als Pfad üblicherweise vernachlässigbar, was den Umgang mit der Temperatur von LEDs betrifft.

Die folgende Berechnung wird für die konduktive Wärmeübertragung von der Wärmequelle bis zur Luft verwendet:

Die Leistung, die unter einer bestimmten Temperatureinschränkung abgeleitet werden kann, wird dann beeinflusst durch:

Fläche der Schicht [A],

Wärmeleitfähigkeit [K],

Dicke der Schicht [dx] und Leistung [q].

Betrachtet man den Aufbau, hängen Wärmewiderstände von der Wärmeleitfähigkeit und der Materialdicke ab.

Es ist zu beachten, dass die Auswirkung der Wärmeleitfähigkeit auf den Wärmewiderstand geringer wird, je dünner das Dielektrikum ist. Da sich dies auf die Wärmeableitung von der Baugruppe bezieht, wird der gesamte Wärmewiderstand jedes Bauteils des Stapels und dann der Widerstand von der Baugruppe zur Umgebung betrachtet. TCLAD nutzt üblicherweise ein Dielektrikum von 75 µm mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit. Diese Isolationsschicht ist kritisch für das Wärmemanagement von LEDs, da die Isolationsschicht potenziell eine der Schnittstellen mit dem höchsten Wärmewiderstand in dem Aufbau darstellt.

Für eine Schnittstelle zwischen Baugruppe und Umwelt umfassen mögliche Optionen einen unendlichen Kühlkörper (wie etwa das Chassis eines Automobils oder ein Metallgehäuse), Zwangsbelüftung oder eine dynamisch gekühlte Baugruppe (wie etwa bei einem Lüfter oder thermoelektrischen Kühler), die oft als unendliche Kühlkörper modelliert werden.

Die Ableitung der Wärme von der LED ist nur wirksam, wenn die Wärme auch von der Baugruppe abgeleitet werden kann. Ein unendlicher Kühlkörper ist die thermal wirkungsvollste Lösung, aber oft unpraktisch oder zu teuer. Daher wird die Wärmeleitung bei Verwendung eines annähernd unendlichen Kühlkörpers zu einer Herausforderung. Diese Annahme gilt allgemein, wenn:

  • die Wärmeableitung aus der Baugruppe höher ist, als die Wärmeerzeugung.
  • die Baugruppe an einem großen Kühlkörper montiert ist.
  • die Baugruppe dynamisch gekühlt wird.

Stehende Luft (oder natürliche Konvektion) ist wahrscheinlich das häufigste Verfahren zur Kühlung, verlangt jedoch einen Luftfluss (z. B. Löcher in einer Abdeckung oder einem Gehäuse). Ansonsten ist die Luft nur eine gute Wärmedämmung.

Die folgende Gleichung wird als Daumenregel verwendet, um die Wärmeableitung bei stehender Luft zu bestimmen.

q = Verlustleistung (W)

A = Fläche (m2)

∆Τ = (Temperatur Platte – Temperatur Umgebung) (K)

L = Plattenlänge (m)

h = Konvektiver Wärmetransferkoeffizient (W/m2-K)

a = Koeffizient 1,32 für Plattenoberseite 0,59 für Unterseite,
abhängig von Form und Ausrichtung

Die folgende Gleichung wird als Daumenregel für bewegte Luft verwendet.

q = Verlustleistung (W)

A = Fläche (m2)

∆Τ = (Temperatur Platte – Temperatur Umgebung) (K)

L = Plattenlänge (m)

h = Konvektiver Wärmetransferkoeffizient (W/m2-K)

a = Koeffizient 0,0366 für turbulente Strömung, 0,59 für laminare Strömung

B = 0,8 für turbulente Strömung, 0,5 für laminare Strömung

V = Geschwindigkeit des Fluids (m/s)

ρ = Dichte der Luft (kg/m3)

μ = Viskosität der Luft (Poise)

NPr = Prandtl-Zahl = Cp m/ k

Cp = Wärmekapazität der Luft (J/kg K)

k = Wärmeleitfähigkeit der Luft (W/m-K)

Der gesamte Wärmewiderstand des Aufbaus ist:

Ri ist der Bulk- oder Schnittstellenwiderstand

-Leitung Rb = L / k A

Der Schnittstellenwiderstand muss empirisch bestimmt werden (in der Regel gering, aber nicht immer)

-Konvektion R = 1 / h A

Die gesamte Verlustleistung bei einem gegebenen Temperaturanstieg ist:

Der gesamte Temperaturanstieg bei einer gegebenen Verlustleistung ist:

T2 = T1 + qRTotal

Diese einfachen Gleichungen eignen sich für die ersten Annäherungen des Temperaturanstiegs in LED-Aufbauten. Benchtop-Prüfung und Datenbestätigungen werden jedoch empfohlen, um das Design zu verifizieren.

IMS-Lösungen

IMS (insulated metal substrate/Deutsch: isoliertes Metall-Substrat) und Standard-FR-4 sind häufig eingesetzte Platinenmaterialien für LED-Baugruppen.

Für IMS im Allgemeinen bestimmen der Metalltyp und die Dicke der Grundplatte sowie die Art des Dielektrikums die Wärmeleistung des IMS. Es gibt eine Reihe von dielektrischen Varianten, die unterschiedliche Eigenschaften bieten und für eine Reihe verschiedener Anwendungen optimiert sind, zu denen nicht nur Solid-State Lighting (Festkörper-Beleuchtung) sondern auch Motorantriebe, Netzteile und Geräte gehören, die harten Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, wie in der Tabelle beschrieben.

Henkel entwickelt ein Dielektrikum, das speziell darauf zugeschnitten ist, die Zyklusfestigkeit der Anwendung zu erhöhen. Das Risiko von Rissen in den Lötverbindungen, welche durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) der metallbasierten IMS und von keramikbasierten Bauteilen entstehen, wird deutlich verringert. Dieser Unterschied der CTE kann Spannungen an der Lötstelle verursachen und im Lauf der Zeit dazu führen, dass die Lötstelle reißt und den elektrischen Kontakt verliert.

Henkels neue Dielektrika haben einen geringeren Speicher-Modulus, welcher CTE Spannungen zwischen dem Baustein und der Metallbasis bestens aufnimmt. Damit erreicht man eine deutliche Verbesserung der Lebensdauer von Lötstellen und der gesamten Baugruppe.

Material der Wärmeschnittstelle

Das Wärmedesign der gesamten Konstruktion der Lampe soll nach fundierten technischen Grundsätzen erfolgen – welches auch die Schnittstelle zwischen IMS und Kühlkörper beinhaltet. Hierfür sind dünne wärmeleitende Materialien (thermal interface material/TIM) bestens geeignet zwischen dem IMS und dem Kühlkörper, um Lufteinschlüsse zu vermeiden und die Wärmeübertragung zu gewährleisten.

Zu der Vielzahl von verfügbaren Thermomaterialien gehören unter anderem Wärmeleitpaste und Phasenübergangsmaterialien. Phasenübergangs-TIMs sind bei Raumtemperatur fest, sodass sie leicht gehandhabt und positioniert werden können. Wenn die Baugruppe ca. 54 °C erreicht, ändert sich der Zustand der Materialien. Sie benetzen die Kontaktflächen und füllen Hohlräume für optimale Wärmeleistung aus. Wenn die Betriebstemperatur der Lampe absinkt, verfestigt sich das Phasenübergangs-TIM wieder.

Alternativ können wärmeleitende konduktive Elastomermaterialien wie GAP PADs oder Lückenfüller als Pads, Folien oder Flüssigkeiten zwischen das Substrat und den Kühlkörper eingebracht werden. Bei Baugruppen, in denen ein Kühlkörper mit dem Substrat verbunden werden muss, kann ein Wärmeleitkleber verwendet werden, um die Übertragung von dem Substrat in den Kühlkörper zu maximieren. Der Klebstoff lässt sich leicht auftragen. Dank hoher Klebekräfte wird die traditionelle mechanische Befestigung mit Schrauben, Klammern oder anderen Befestigungsmitteln überflüssig.

Wärmeleitende Verkapselung

Viele Erstausrüster, einschließlich der Monteure von LED-Beleuchtungen, benötigen eine kostengünstige Lösung, um elektronische Baugruppen – insbesondere Platinen mit den empfindlichen Bauteilen – zu umschließen und schützen, um eine einfache Handhabung zu ermöglichen. Unter geringem Druck verformbare Technomelt-Materialien können kleine Platinen in einem einfachen, dreischrittigen Prozess verkapseln und damit die Kosten für die Herstellung eines angepassten Gehäuses einsparen.

Schlussfolgerung

Eine LED-Beleuchtung ist sehr energieeffizient, erzeugt jedoch viel Wärme und muss effektiv gekühlt werden, um längere Standzeiten, Betriebsleistung und eine optimale Lichtleistung sicherzustellen. Mehrere Materialien stehen zur Optimierung der Wärmeableitung des Systems zur Verfügung. Sie weisen zahlreiche Eigenschaften auf, die Kosten-, Leistungs- und einfache Verfügbarkeitsziele erfüllen. Die Entwicklung eines neuen Dielektrikums mit einem niedrigen Speicher-Modulus stellt eine weitere Verbesserung für die Gesamtstandzeit des LED-Beleuchtungssystems dar.

www.henkel.com



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