Thermische Auslegung
Systemintegration von High-Power-LEDs
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
CoB-Module: Vor- und Nachteile
Neben den Vorteilen, die ein CoB-Modul (Chip on Board) mit der flächigen Abgabe der Wärme bietet, sieht sich der Anwender allerdings auch mit einigen Nachteilen konfrontiert. Die Citizen-CoB-Module haben in den größeren Leistungsklassen nennenswerte mechanische Abmessungen bis zu 38 mm Kantenlänge. Dies bietet zum einen eine große Fläche, die Wärme abzugeben.
Auf der anderen Seite ist es nicht ganz banal, eine solch große Fläche sicher und planar an den Kühlkörper zu koppeln: Der große Abstand der Schraubbefestigungen bei der geringen Dicke solcher Module von nur 0,9 mm oder weniger macht es schwierig, die Module mit einer extrem dünnen Koppelschicht an den Kühlkörper zu kontaktieren.
Eingebrachte Koppelschichten (Wärmeleitpads oder -pasten) werden oft bereits bei Schichtdicken von <100 µm deutlich inhomogen, was zu einer mangelhaften thermischen Kontaktierung führt. Gerade in den zentrischen Bereichen der Module ist dann der entscheidende thermische Kontakt nicht gegeben. Von Nachteil ist dabei, dass dies bei der Montage nicht unmittelbar erkannt werden kann, sondern sich erst durch eine thermische Messung ermitteln lässt.
Versuche mit verschiedenen Materialien haben ergeben, dass Temperaturunterschiede von >30 °C möglich sind, was wiederum eine sichere Systemauslegung schwierig macht. Turck Duotec hat ein Verfahren entwickelt, die Kontaktierung in einem industriellen Verfahren so sicherzustellen, dass ein sehr gutes, reproduzierbares Ergebnis der Kontaktierung erzielt wird.
Das Modul wird dabei mit sicherer und guter thermischer Anbindung auf eine Kupferplatte gebracht, die größer ist als das eigentliche LED-Modul (Bild 3). Diese Kupferplatte bietet die mechanische Basis für eine robuste Montagemöglichkeit. Weiterhin dient die Kupferplatte zur Wärmespreizung und als Aufnahmeplattform für weitere Komponenten.
Zusätzlich besteht durch sogenannte Poke-in-Kontakte eine einfache und sichere Möglichkeit der Kontaktierung mit Litzen, die eine Anlötung an das LED-Modul überflüssig machen, da auch das Anlöten unter sehr speziellen und reproduzierbaren Bedingungen erfolgen müsste, um das LED-Modul nicht zu beschädigen.
Hier bedient sich Turck Duotec der Wire-Bond-Technik: Mit einem Aluminiumdickdrahtbond wird das CoB-Modul an die umgebende Leiterplatte kontaktiert, auf der sich die Poke-in-Kontakte befinden. Im Gegensatz zu Ankontaktierungen mittels Federkontakten handelt es sich hier um eine sehr robuste und gasdichte elektrische Verbindungstechnik, die schmutzunempfindlich ist und zusätzlich durch eine Abdeckung geschützt wird.
Weiterhin ist es möglich, zusätzlich Sensoren zur Temperaturüberwachung des LED-Moduls aufzubringen, was einen weiteren Schutz vor thermischer Zerstörung bietet. So entsteht ein robustes und sicher aufzubringendes Modul, das durch den Leuchtenhersteller oder Anwender einfach zu montieren oder zu wechseln ist.
Vergleich der Leiterplattentechnologien
Die Leiterplattentechnologien, die bei LED-Applikationen verwendet werden können, sind in Bezug auf ihre Leistungsfähigkeit und damit verbunden in Bezug auf den Preis höchst unterschiedlich. Das Spektrum reicht von FR4-Leiterplatten ohne und mit thermischen Vias über laminierte Metallträger, keramische Leiterplatten und IMS-Leiterplatten bis hin zu Kühlkörpern, die gleichzeitig als Leiterplatte dienen.
Bei der Auswahl der Leiterplattentechnologie muss man sich zunächst darüber klar werden, wie sich eine LED in den verschiedenen Lastfällen verhält. Das Gesamtsystem ist in Bezug auf das abgegebene Licht, auf den optischen Wirkungsgrad, auf die zu erwartende Lebensdauer und nicht zuletzt auf die zu erwartenden Kosten zu betrachten. Generell steigt das emittierte Licht einer LED mit steigendem Strom. Leider sinkt mit steigendem Strom aber der Wirkungsgrad der LED.
Bei einer höheren Bestromung steigen ohne Mehraufwendung bei der Kühlung die Temperaturen im System und in der LED. Will man die Temperaturen auf gleichem Niveau halten, ist es erforderlich, in eine Erweiterung der Kühlung zu investieren. Steigt die Temperatur, sinken die Lebensdauer und damit der Wirkungsgrad der LED abermals (Bild 4).
In der Auslegung eines Systems ergeben sich nun mehrere Alternativen: Systeme mit hohem Wirkungsgrad bei geringem Diodenstrom und geringer Sperrschichttemperatur bieten die Vorteile einer hohen Lichtausbeute (lm/W), der verhältnismäßig geringen Aufwendungen für die Kühlung und einer langen Lebensdauer der LED. Nachteilig wirken sich hohe Aufwendung bei den LED-Kosten und ein größerer Platzbedarf für die LEDs aus.
Der Vorteil, ein System mit geringen LED-Kosten bei hoher Bestromung zu erzeugen, liegt dabei in dem guten Preis-Licht-Verhältnis. Nachteilig sind die niedrigere Lichtausbeute sowie die steigenden Aufwendungen für die Kühlung. Bei gleichem Kühlungsaufwand ergeben sich hier steigende Temperaturen im System; die Folge sind eine geringere Lebensdauer und eine niedriger Effizienz.
Bei der Leiterplattentechnik ist die Umsetzung der Leiterbahnführung direkt auf dem Kühlkörper aus thermischer Sicht die optimale Lösung. Hierbei wir die Leiterbahn in der sogenannten Dickschichthybridtechnik direkt auf den Kühlkörper aufgebracht und in einem Sinterprozess mit dem Kühlkörper verbunden.
- Systemintegration von High-Power-LEDs
- CoB-Module: Vor- und Nachteile
- Kühlkörper als Dickschichthybridleiterplatte
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