Das thermische Management bei einer LED-Beleuchtung

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Das thermische System bei einer LED

Das Bild 1 zeigt den typischen Aufbau einer LED-Lampe. Als thermisches System betrachtet hat die abgeleitete Wärmeenergie vom Chip direkten Einfluss auf den Wirkungsgrad und damit auch auf Parameter wie Helligkeit, Zuverlässigkeit und Farbkonsistenz der LED-Leuchte. Wie viel Wärme abgeleitet werden muss hängt auch von der Größe und Form der Leuchte ab.

Entwickler haben unterschiedlich Einfluss auf das Wärmeverhalten einer LED: Beispielsweise mit der Materialauswahl, kleinere thermische Grenzen, Luftstrom unterbinden, der von den physikalischen Grenzen zwischen den Komponenten sowie durch Größe und Rippenform des Kühlkörpers abhängt. Zudem stehen eine Vielzahl an thermischen Materialien bereit, um das bestmögliche Wärmeverhalten im Rahmen der gegebenen Abmessungen und den auferlegten Größenbeschränkungen zu erzielen.

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Standard-Leiterplattenmaterialien wie FR4 fungieren als erste Stufe des thermischen Systems, welches Wärme vom Emitter-Chip ableitet. Dabei kommen vor allem vergrößerte Lötpads und/oder beschichtete Durchkontaktierungen zum Einsatz. Mit diesen Eigenschaften steigen allerdings auch die Produktionskosten für die Leiterplatte. Als Alternative zeichnet sich ein isoliertes Metallsubstrat, IMS = Insulated Metal Substrate. Das kann beispielsweise Bergquist-Marke Thermal-Clad von Henkel sein, das im Vergleich zum gewöhnlichen FR4 über bessere thermische Eigenschaften verfügt. Um das Wärmeverhalten zu verbessern, sind keine speziellen Features notwendig.

Das IMS hat eine Metallbasis, die mit einer dielektrischen Schicht überzogen und auf der wiederum die Schaltungsschicht laminiert ist. Den Aufbau zeigt das Bild 2. Verschiedene Konfigurationen sind verfügbar, darunter Panels, Leiterplatten sowie ein breites Spektrum von standardmäßigen viereckigen oder sternförmigen Leiterkarten, mit dem Layout der LED-Hersteller wie Osram, Cree, Lite-On, Lumileds, Seoul Semiconductor, Avago Technologies, Nichia und Lumex.

Unterschiedliche Materialien für die Montage

Beim isolierten Metallsubstrat wird das Wärmeverhalten durch das Metall bestimmt, welches Aluminium oder Kupfer sein kann. Hinzu kommt die Dicke der Basisplatte sowie die Art des Dielektrikums. Henkel bietet eine Reihe von Varianten des Dielektrikums an, die unterschiedliche Eigenschaften bieten und für eine Palette von Anwendungen optimiert sind. Dazu gehören nicht nur die LED-Beleuchtung, sondern auch Motorantriebe, Stromversorgungen sowie Geräte, die rauen Umweltbedingungen ausgesetzt sind. Beispiele sind in der Tabelle beschrieben.

Für die Konstruktion der Leuchte sollte prinzipiell der gesamte thermische Pfad im Design betrachtet werden, welches das Interface zwischen der IMS und dem Kühlkörper einschließt. Um Lufteinschlüsse zu vermeiden, wird als Best-Practice oft eine Wärmeleitpaste eingesetzt. Diese wird als dünne Schicht aufgetragen und verbessert die Wärmeübertragung zwischen isolierten Metallsubstrat und Kühlkörper.

Es sind vielfältige Thermomaterialien erhältlich, darunter Wärmeleitpasten wie das TIC Thermal Interface Compound der Marke Bergquist von Henkel, oder das Phase-Change-Material Hi-Flow. Letzteres bleibt bei normaler Raumtemperatur im festen Zustand und lässt sich leichter aufbringen. Wenn die Baugruppe ihre Betriebstemperatur erreicht, ändert Hi-Flow seinen Zustand, um die Kontaktoberflächen zu benetzen und verhält sich ähnlich wie eine Wärmeleitpaste. Hi-Flow kehrt in den festen Zustand zurück, nachdem es nach Abschalten der Lampe unter die Phase-Change-Temperatur abkühlt.

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