Thermische Auslegung
Systemintegration von High-Power-LEDs
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Kühlkörper als Dickschichthybridleiterplatte
Eine weitere Möglichkeit ist das Aufbringen von LED-Kristallen ohne Gehäuse, was die thermischen Eigenschaften eines Systems ebenfalls verbessert . Beim Verarbeiten von Halbleiter-Chips ohne Gehäuse, der CoB-Technik, kommt hinzu, dass die Ausdehnungskoeffizienten der Halbleiter und der Keramik sehr gut zueinander passen und wenig mechanischer Stress auftritt.
Als klassische Lösungen für eine gute Ableitung von Wärme gelten die Lösungen SMD-LED auf Dickschichthybridkeramik sowie SMD-LED auf IMS-Leiterplatte. Beide Varianten erreichen gleich gute thermische Widerstände. Bei der Dickschichthybridkeramik wird die Leiterbahn direkt mit der isolierenden Keramik, die als Schaltungsträger dient, im Sinterprozess verbunden (Bild 5). Vorteile dieses Aufbaus sind die sehr gute thermische Leitfähigkeit und die hohen Isolationswerte der Keramik.Eine Leiterplatte von 0,65 mm Dicke erreicht so eine Durchschlagsfestigkeit von ca. 13 kV.
Ein Beispiel für eine Leuchtmittelintegration ist das Hochvoltmodul „Oktagon – 25 Watt" (Bild 6), das einen derartigen Dickschichthybriden verwendet. Die Spannungsversorgung erfolgt direkt mit 230 V Netzwechselspannung.
Es sind keine zusätzlichen Komponenten (z.B. externes Netzteil) erforderlich. Das Leuchtmittel überwacht seine Temperatur selbsttätig; beim Auftreten zu hoher Temperaturen (Übertemperatur der Umgebung, Störung der Kühlung) wird die Leistung eigenständig reduziert. Dadurch ist sichergestellt, dass sich das Leuchtmittel nicht zerstört oder beschleunigt altert.
Bei der IMS-Leiterplatte ist die Leiterbahn durch eine dünne Isolationsschicht vom Metallträger getrennt. Die Qualität der thermischen Leitfähigkeit und die Isolationsfestigkeit werden hier durch die Isolationsschicht bestimmt, die in unterschiedlichen Güten und Stärken erhältlich ist. Eine Erhöhung der Isolationsfestigkeit ist hier allerdings meist mit einer Verschlechterung der thermischen Leitfähigkeit erkauft.
Wenn in einer Anwendung kleinere Leistungen gefordert sind, ist es auch möglich, mit FR4-Leiterplatten und thermischen Vias zu arbeiten. Bei geeigneten Betriebsbedingungen und ausreichender Kühlung stellt dies eine kostengünstige Alternative dar.
Bei den thermischen Vias wird die Wärmeableitung von der oberen Kupferschicht durch die metallisierten Bohrungen, die thermischen Vias, auf die Rückseite der Leiterplatte transportiert, wo die Wärme dann an den Kühlkörper abgegeben wird (Bild 7).
Wichtig ist hier die Sicherstellung des mechanischen Kontaktes der Vias mit dem Kühlkörper, da die Wärmespreizung eingeschränkt ist. Zusätzlich nutzt man meist noch die Kupferschicht auf der Bestückungsseite der LEDs, um hier ebenfalls Wärme über Konvektion abzugeben.
Die Autoren:
Dipl-Ing (FH) Albrecht Lohrer hat in Esslingen Elektrotechnik studiert und anschließend ein Jahr im Qualitätsmanagement gearbeitet. Seit 1998 ist er bei der Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH beschäftigt und betreut dort seit drei Jahren als Senior-Produktmanager den Bereich LED sämtlicher Hersteller.
Dipl.-Ing. (FH) Johannes Schäfer hat in Dortmund Elektrotechnik studiert und zunächst elf Jahre in der Distribution gearbeitet. Seit sechs Jahren ist er bei der Turck Duotec GmbH im Vertrieb für die angebotenen Dienstleistungen (E²MS) tätig; ein Schwerpunkt seiner Tätigkeit liegt im Bereich Fertigungs- und Entwicklungsdienstleistungen rund um LED-Beleuchtungen.
- Systemintegration von High-Power-LEDs
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