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Cooles Wärmemanagement für High-Density-LEDs

22. Oktober 2014, 11:04 Uhr | Karin Zühlke

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Guter Halt

Zwar können bestimmte LED-Arrays direkt auf den Kühlkörper montiert werden, doch halten es manche Hersteller nach den Worten von Jermyn für besser, sie vor der Fixierung am Kühlkörper in eine spezielle Halterung einzubauen: »Die Halterungen erleichtern die mechanische Befestigung und können dabei helfen, eine sekundäre Optik und die Lichtaustrittsfläche aufeinander auszurichten«.

Der Einsatz von passenden Halterungen, kombiniert mit Wärmetransfermaterialien, vereinfacht die Montage von LED-Arrays an Kühlkörpern erheblich. Gleichzeitig wird damit eine effektive Wärmeableitung in an die Umgebungsluft und damit optimale Zuverlässigkeit erreicht. Mit Halterungen wird auch sichergestellt, dass die LED mit ausreichendem Druck am Kühlkörper befestigt wird, ohne sie jedoch zu beschädigen. Da die Halterung außerdem die elektrischen

Anschlüsse abdeckt, erleichtert sie den Zertifizierungsprozess zur Erfüllung von Sicherheitsvorschriften und behördlichen Auflagen. Naturgemäß gibt es Unterschiede in Maßen und Formen zwischen den CoB-LED-Arrays verschiedener Hersteller und auch innerhalb der Produktreihen eines Anbieters. Keramiksubstrate können dünner und spröder sein als Substrate auf Metallbasis, und auch die Dicke variiert. Bis heute sind LED-Halterungen meist speziell für ein bestimmtes Array oder eine Array-Familie vorgesehen.

TE Connectivity zum Beispiel hat eine skalierbare Halterung entworfen, die als Plattformlösung zu verstehen ist und mühelos angepasst werden kann, um Arrays von vielen der größten Hersteller aufzunehmen. Sie ist als zweiteiliger Eckanschluss oder alternativ als einteilige Fertigfassung erhältlich. Die direkte Anbringung des LED-Arrays am Kühlkörper erfolgt mühelos mithilfe einer Standardschraube. Die Halterung kann mit einer Vielzahl wärmeleitender Materialien kombiniert (siehe unten) und auch bei abgerundeten Ecken eingesetzt werden und ist so konzipiert, dass sie das Licht der LED so wenig wie möglich abschattet. Ein wichtiger Vorteil besteht außerdem darin, dass sie den Zugang zum Temperaturmesspunkt frei lässt.

Auch Molex bietet spezielle LED-Halterungen für Arrays an – von Sharp, Bridgelux, Cree und anderen Anbietern. Die Halterungen 180150 und 180180 sind für Bridgelux LED-Arrays bestimmt. Sie verkürzen die Montagezeit mit Hilfe von Federkontakten, die eine Handlötung entbehrlich machen. Diese Halterungen verfügen über durchgängige sog. Wire-Trap-Anschlüsse als Verbindung zur Stromquelle. Das Gehäuse aus Thermoplast widersteht hohen Betriebstemperaturen. Für die Cree-Arrays CXA1507 und CXA1512 in der XLamp-Produktreihe ist die Molex-Spezialhalterung mit Federkontakten und zusätzlicher Goldplattierung ausgestattet, um eine besonders zuverlässige Verbindung zu gewährleisten.

Wärmeleitende Materialien (TIM)

Bei der Fixierung eines LED-Arrays mit Halterung auf einem Kühlkörper empfiehlt Jermyn den Einsatz von Wärmetransfermaterial, das in vielen Formen erhältlich ist, darunter selbstklebende Folien, Wärmeleitpasten oder elektrisch isolierende Wärmeleitfolien: »Das ist insbesondere für LEDs mit höherer Leistung von Bedeutung. Selbst winzigste Lücken zwischen der Oberfläche des Kühlkörpers und der Grundfläche des Arrays können den Wärmewiderstand erhöhen und die Leistung des Kühlkörpers beeinträchtigen.« Das wiederum kann Überhitzung und Ausfall des Arrays zur Folge haben. Bei Verwendung von Klebstoffen, Fetten oder Pasten müssen diese dünn (normalerweise unter 100 µm) und gleichmäßig auf die Oberfläche aufgetragen werden.

Wärmeleitfolien sollten in der Regel dünner als 0,3 mm sein. Cree empfiehlt Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitpad. Philips Lumileds hat mehrere Optionen erfolgreich getestet, darunter Graphitfolien und Wärmeleitpaste.