Kühlkörper Effizientes Temperatur-Management macht LEDs zu »Dauerläufern«

Dipl. Phys.-Ing. Jürgen Harpain ist Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik.

Hochleistungs-LEDs benötigen zumeist speziell abgestimmte Entwärmungskonzepte, in denen LED-Kühlkörper eine wichtige Rolle spielen. Im Interview gibt Jürgen Harpain, Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik, einen Einblick in die Entwicklungsarbeit von Kühlkörpern.

Elektronik: Leistungs-LEDs, die in vielen Applikationen zum Einsatz kommen, bedeuten für die Entwickler von Entwärmungslösungen eine besondere Herausforderung. Deckt sich dies mit Ihren Erfahrungen als Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik?

Jürgen Harpain: Absolut! Das Thema LED und deren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten, gerade im Bereich der Hochleistungs-LEDs zu Beleuchtungszwecken, sind - um es etwas salopp zu sagen - in aller Munde. Die Lebensdauer, die Lichtausbeute und der damit verbundene Wirkungsgrad einer LED sind im Wesentlichen von deren Chiptemperatur abhängig. Unterstrichen wird diese Tatsache durch die Grundregel, dass für jeweils 10 K Temperaturerhöhung die anzunehmende Lebensdauer einer LED um 50 Prozent herabgesetzt wird.

Ein effizientes Entwärmungskonzept, um die Summe aller Vorteile einer LED vor allem langlebig zu nutzen, ist somit unerlässlich. Die Vielzahl der auf dem Markt erhältlichen LED-Module verschiedener Hersteller, die damit verbundenen unterschiedlichen Leistungsklassen und technischen Angaben der LED in den Datenblättern stellen die Entwickler vor eine besondere Herausforderung. „Welche technischen Daten der LED müssen zur thermischen Berechnung der Entwärmungsmethode zugrunde gelegt werden“, lautet hier oftmals die Frage. Die richtige Auswahl der benötigten Parameter gestaltet sich sehr häufig als verwirrend bis unübersichtlich. Erschwerend kommt hinzu, dass die meisten Entwärmungskonzepte einer mechanischen Anpassung an die Applikation bedürfen, welches die Berechnung des benötigten Wärmewiderstandes deutlich erschwert.

Die thermische Simulation schafft hier effektive Abhilfe; allerdings ist eine Software für Wärmeanalysen nicht in jeder Entwicklungsabteilung vorhanden. Fachkundige Unterstützung können hier in jedem Falle die Entwicklungsingenieure der Firma Fischer Elektronik leisten.

Elektronik: Welche Firmen kommen auf Sie als Entwicklungsleiter zu, um mit ihnen über entsprechende Entwärmungskonzepte zu diskutieren. Sind es mehr Ingenieurbüros, die komplette Designs realisieren, oder Hersteller von Beleuchtungsmodulen oder oder?

Jürgen Harpain: Einkreisen lässt sich der Kundenkreis aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der LED - sowohl im In- als auch im Ausland - leider nicht. LEDs finden, wie bereits erwähnt, in vielen technischen Bereichen als Beleuchtungsmittel ihre Anwendung. Innovative Entwärmungskonzepte werden, um nur einige zu nennen, aus den Bereichen Ingenieurbüros, LED-, Leuchten- und Lampenhersteller, Industrie, Automobil-, Flugzeug-, Medizin-, Militär-, Lebensmittel-, Chemie-  und Bahntechnik, Universitäten und Hochschulen nachgefragt und gefordert.

Elektronik: Lassen Sie mich die Frage etwas anders formulieren: Welche Fragen stellen Sie den Ansprechpartnern, damit Sie ein aussagefähiges Pflichtenheft erstellen können?

Jürgen Harpain: Im ersten Schritt ist es enorm wichtig, dass der Kunde sein geplantes Projekt bzw. die Applikation beschreibt, da natürlich auch äußere Umwelteinflüsse und Gegebenheiten einen negativen - aber auch positiven - Einfluss auf das thermische Management haben können. Als Beispiel: Handelt es sich um eine In- oder Outdoor-Beleuchtung? Im Außenbereich müssen zusätzlich Faktoren wie der IP-Schutz - also Wasser und Feuchtigkeit - Beachtung finden. Im zweiten Schritt müssen die technischen Daten der verwendeten LED mittels Datenblättern besprochen werden. Hier ist eine Festlegung der maximalen Temperaturen und Leistungen der LED notwendig, um im dritten Schritt den benötigten Wärmewiderstand inklusive der Wärmeübergangswiderstände überschlagsmäßig zu berechnen. Dieser gibt eine Auskunft darüber, ob die LED passiv - also durch freie Konvektion - oder aktiv - also mittels zusätzlicher Lüftermotoren - entwärmt werden muss.

Des Weiteren liefert dieser eine Auskunft über die benötigten Kühlkörpergeometrien und -abmessungen, um die LED effizient zu entwärmen. Nach diesem Verfahren können wir dem Kunden relativ einfach und schnell mitteilen, ob die angedachten Lösungen funktionieren oder nicht bzw. können wir eine Aussage darüber treffen, in welche Richtung das Entwärmungskonzept gehen muss.

Elektronik: Wie umfangreich sind derartige Klärungsgespräche? Könnten Sie uns dafür ein Praxisbeispiel nennen und kurz skizzieren?

Jürgen Harpain: Der Umfang der Beratungsgespräche ist jeweils in Abhängigkeit von der geforderten Applikation zu sehen. Liegen exakte thermische Daten und Randparameter vor oder sind diese nach den Gesetzen der Physik zu berechnen, so führt das, nachdem wir sehr viel Erfahrung in der Auslegung von Entwärmungskonzepten für Halbleiter haben, zu relativ kurzen Klärungsgesprächen.

Müssen bei bestimmten Applikationen allerdings erst Fragen geklärt werden wie „Wie verändert sich das thermische Management einer LED-Kühlung in einem Flugzeug bei 10.000 m Flughöhe“ oder „Wie können bei einer Deckeneinbauleuchte zusätzliche Luftströmungen die Kühlleistung verbessern“, so wird es recht schwierig, hier genaue Aussagen zu treffen, zumal auch seitens der Kunden oft keine Daten beziehungsweise Erfahrungen vorliegen. Hier ist es dann notwendig, die Applikation in einer thermischen Simulation nachzubilden und zu berechnen.

Elektronik: Welche internen Arbeitsschritte müssen Sie anschließend einleiten, damit die mit dem Kunden getroffenen Absprachen dann auch fristgerecht umgesetzt werden können?

Jürgen Harpain: Die mit dem Kunden getroffenen Absprachen, Berechnungen, mechanischen Anpassungen und Simulationen werden in einem Pflichtenheft festgehalten. Nach Klärung der technischen Parameter des Konzeptes zur Entwärmung der LED wird dieses an die Kalkulationsabteilung weitergeleitet. Parallel zur Preisgestaltung wird die Maschinenbelegung zur Fertigung überprüft, mit dem Ergebnis, dass der Kunde ein Angebot (Projektplan) über Kosten und Lieferzeit erhält. Dieses wiederum ist unterteilt in Prototypen- und Serienfertigung. Anschließend muss der Kunde nur noch die Bestellung auslösen, damit die Fertigung fristgerecht erfolgt.

Elektronik: Gibt es auch in dieser Phase noch Iterationsschritte mit dem Kunden, damit das Projekt auch zum gewünschten Produkt führt?

Jürgen Harpain: Üblicherweise wird im Vorfeld eine thermische Simulation durchgeführt, die allerdings nur so gute Werte liefert, wie dem Kunden die einzelnen Randparameter bekannt sind. Oftmals müssen diese Parameter geschätzt werden, mit dem unangenehmen Nebeneffekt, dass sie das Endergebnis verfälschen. An diesem Punkt empfiehlt es sich, einen Prototyp aufzubauen. Dieser wird, losgelöst von der Serienfertigung, in einer speziellen Abteilung erstellt, damit der Kunde zeitnah eine Eins-zu-Eins-Überprüfung vornehmen kann. Ebenfalls können noch zu diesem Zeitpunkt jederzeit mechanische Änderungen bzw. Anpassungen vorgenommen werden, so dass der Kunde im Prinzip das fertige Endprodukt analysieren kann. Diese Vorgehensweise hat sich in den letzten Jahren als besonders effektiv und kostengünstig herauskristallisiert.