Thermisches Management beim LED-Design Thermische Charakterisierung für optimale LED-Designs

Was muss beim thermischen Management eines Arrays von LEDs in Bezug auf Farbe und Helligkeit beachtet werden? Für ein gutes Design ist das thermische Verhalten wichtig. Wir geben Ihnen Tipps an die Hand.

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Eine LED erzeugt als Nebenprodukt Wärme, die nicht nur die Lichtausbeute des LED-Systems verringert, sondern auch zu unerwünschten Farbverschiebungen führt und somit die Nutzungsdauer verringert. Aus diesem Grund ist thermisches Management bei LED-Systemen wichtig. Das gilt für Anwendungen mit mehreren LEDs. Einheitliche Farbe und Helligkeit müssen für alle LED-Arrays, die auf einem Modul montiert sind, gewährleistet sein. Vor allem dann, wenn diese in Applikationen eingesetzt werden, die eine Interpretation in Sekundenbruchteilen oder einfache Ablesbarkeit erfordern. Entwickler können nur dann ein gutes Design entwickeln, das sich durch optimale Performance und Zuverlässigkeit auszeichnet, wenn sie das thermische Verhalten kennen. Der erste Schritt dazu sind thermische Messungen.

Die Lichtausbeute versus Nebenprodukt Abwärme

Die Lichtausbeute-Charakteristiken von LEDs hängen von den Betriebsbedingungen ab. Der an eine LED angelegte Durchlass-Strom ist die entscheidende Variable. Je höher der eingespeiste Strom ist, umso mehr Licht erzeugt ein Bauelement. Die Lichtausbeute einer LED verringert sich, wenn ihre Sperrschichttemperatur ansteigt. Auch dann, wenn das Bauelement mit einer konstanten Stromquelle angesteuert wird. Bild 1 zeigt das Verhalten einer einzelnen LED (ein Level-1-Bauelement). Die Verschiebung in der Peak-Wellenlänge beweist die Farbänderung des emittierten Lichts. Das ist in einem LED-Array, das lesbare Schrift erzeugen soll, oder bei dem die Farbstabilität eine strikte Anforderung ist, nicht akzeptabel.

Gruppierungen von LEDs, die üblicherweise auf Leiterplatten mit Metallkern-Boards, MCPCB) montiert werden, sind Level-2-Komponenten. Um die Eigenschaften von Level-2-Komponenten vorherzusagen, ist eine Kombination aus elektrischen, thermischen und optischen Modellen von Level-1-Baulelementen, aus denen sie sich zusammensetzten, sowie ein umfassendes Modell der thermischen Umgebung erforderlich. Eine kältere LED ist eine effizientere LED.

Die thermische Leistung als wichtiger Aspekt

Eine Lösung zum thermischen Management, die für eine effektivere Kühlung sorgt, liefert auch in der Anwendungsumgebung mehr nutzbare Lumen. Bei der Entwicklung einer Festkörperbeleuchtung ist die thermische Leistung ein wichtiger Aspekt. Die thermische Leistung eines Elektronikbauteils wird üblicherweise als Wärmewiderstand angegeben. Der Wert gibt an, wie schwierig es für die Wärme ist, aus einem Gehäuse abzufließen. Er berechnet sich aus dem Temperaturanstieg der Sperrschicht geteilt durch die Leistung, die die Sperrschicht erwärmt. Diese Kennwerte müssen sehr genau sein, denn sie dienen als Eingabewerte für die thermischen Modelle, die für die Entwicklung verwendet werden.

Die Kennwerte können für Berechnungen in einem frühen Stadium der Entwicklung genutzt werden. Ihre Verwendung wird umso problematischer, je komplexer ein Produkt ist. Eng angeordnete LEDs beeinflussen sich gegenseitig, denn jede erwärmt ihren Nachbarn und sich selbst. Die thermischen, optischen und elektrischen Vorgänge einer LED sind voneinander abhängig. So variiert die Menge an elektrischer Leistung, die Wärme erzeugt, mit der Temperatur. Thermische Kennzahlen sollten auf tatsächlich abgegebener Wärme der LED und nicht auf der aufgenommenen elektrischen Leistung basieren. Das erfordert genaue Messungen der Lichtausbeute als Funktion von Temperatur und eingespeistem elektrischen Strom. Wird nur die aufgenommene elektrische Leistung verwendet und die Energie weggelassen, die in Form von Licht emittiert wird, dann ist der berechnete Wärmewiderstand viel zu niedrig. Je effizienter eine LED ist, umso größer ist dieser Fehler.

Der Junction-to-Ambient-Wärmewiderstand

In Bild 2 ist ein typisches Power-LED-Gehäuse dargestellt. Es scheint so, als ob die vom LED-Chip erzeugte Wärme das Gehäuse über einen einzigen Pfad verlässt. Dieser führt vom Heat-Slug in das MCPCB-Substrat und von dort weiter zur möglichen Kühlplatte. Für Steady-State-Modellierung wird das Gehäuse perfekt durch einen einzigen Wärmewiderstandswert beschrieben. Dieser wird als RthJC bezeichnet, wobei das „JC“ für Junction-to-Case“ steht. Falls ein DCTM des LED-Gehäuses erforderlich ist, muss der einfache RthJC-Widerstand durch ein geeignetes Modell des thermischen Verhaltens des gesamten Junction-to-Case-Wärmeflusspfades ersetzt werden. Auch der dynamische R_thJC-Wert lässt sich durch Messungen der thermischen Transienten identifizieren. Ein bewährter Ansatz nutzt ein Messinstrument für thermische Transienten, um Daten zu erfassen und Strukturfunktionen zu erstellen (Bild 3). Dieses logarithmische Diagramm zeigt Messungen, die an einer Konfiguration durchgeführt wurden, die genau Bild 2 entspricht. Die Kühlplatte steht in direktem Kontakt mit dem MCPCB. Wenn ein thermisches Kompakt-Modell der LED das Ziel ist, dann müssen der Wärmewiderstand und die Kapazitätswerte die realen physikalischen Bedingungen widerspiegeln. Daher muss während der thermischen Messung auch die Energie des emittierten Lichts in einer Weise berücksichtigt werden, die mit den thermischen Test konform geht.

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