Kühlkörper für Hochleistungs-LEDs

Keramik vereinfacht das thermische Management

Ihren Erfolg begrenzen LEDs durch ihre geringe Wärmetoleranz letztendlich selber. Entwicklungen zielen meist auf die Optimierung von Kühlkörpern und selten auf die Schichten zwischen diesem und der LED. Neue Konzepte und andere Materialien könnten für bemerkenswertes Optimierungspotential und hohe Zuverlässigkeit sorgen. So zum Beispiel die Nutzung von Keramik als Kühlkörper, Baugruppenträger und sichtbares Designelement. Das allerdings erfordert Mut zu Neuem.

Ceramtec 

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Eine LED-Spot-Leuchte, bestückt mit einer 4-W-LED

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Eine LED-Spot-Leuchte, bestückt mit einer 4-W-LED

LEDs sind bekannt als effiziente, kleine Lichtquellen. Dabei sind sie eigentlich nur so lange klein bis ihr Wärmemanagement berücksichtigt wird. Glühlampen arbeiten mit Temperaturen bis zu 2500 °C. LEDs sind viel kühler und viele Menschen wundern sich über die Tatsache, daß Wärme ein derartiges Problem darstellt. Nicht zuletzt durch die Nutzung von Halbleitertechnologie  tolerieren sie grob gesagt maximal rund 100 °C. Gemäß Energieerhaltungssatz muß die thermische Energie an die Umgebung abgegeben werden. Nur ein geringes Temperaturgefälle zwischen 100 °C im Hotspot und 25 °C Umgebungstemperatur steht zur Verfügung, um Wärmeenergie abzugeben. Große Oberflächen und exzellentes Thermomanagement werden benötigt.

Zwei Optimierungsgruppen

Gruppe 1 ist die LED selber, sie bleibt in unserer Betrachtung unberührt. Ihr Kern ist der Die und der Heat Slug, ein Kupferstück, welches den Die mit dem unteren Ende der LED verbindet. Thermisch gesehen ist es ideal, den LED-Chip direkt auf den Kühlkörper zu bonden. Aufgrund der bestehenden Massenproduktion ist ein solches Konzept kommerziell unrealistisch. Daher betrachten wir die LED als standardisierte, nicht veränderbare Katalogware.

Gruppe 2 ist der Kühlkörper, welcher Energie von der Wärmequelle zur Wärmesenke (Umgebung/Luft) abführt. Je ansprechender das verwendete Material ist, umso geringer ist die Notwendigkeit es zu kaschieren und umso effizienter arbeitet die Kühlung. Einzelne Hersteller nutzen bereits Werkstoffe, welche gezielt sichtbar und Design bestimmend eingesetzt werden. Gruppe 3 verbindet die genannten Blöcke mechanisch, isoliert elektrisch und dient  dem Wärmetransfer. Das erscheint widersprüchlich, da die meisten Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit auch elektrisch leiten.

Umgekehrt bildet nahezu jedes elektrisch isolierende Material eine Wärmebarriere. Meist wird die LED auf ein PCB gelötet und auf den metallischen Kühlkörper geklebt. Die ursprüngliche Funktion des PCBs kann so beibehalten werden. Obwohl PCBs mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten existieren, bleiben sie ein Hindernis für die Wärmeableitung.

1. Teil: Keramik vereinfacht das thermische Management
2. Teil: Thermischer Gesamtwiderstand Rtt
3. Teil: Validierung und Proof of Concept
4. Teil: Klein und dicht bepackt
5. Teil: Retrofit-Lampen und die erforderliche Isolierung

Weiterführende Links:

• Kühlkörper: Jede einzelne Kühlrippe für sich ist optimiert
• CO2-Bilanz von Kühlkörper-Materialien: Aluminium versus Aluminiumoxid-Keramik
• Leistungshalbleiter optimal entwärmen: Hilfestellung bei der Auswahl des geeigneten Wärmeleitmaterials
• Clevere Entwärmung: Kühlkörper als Schaltungsträger