Wärme an der LED abführen Wie sich die Temperatur am Lötpunkt einer LED exakt ermitteln lässt

Autor / Redakteur: Kai Klimkiewicz * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die Temperatur Tj an der Sperrschicht einer LED lässt sich nur über Umwege messen. Ableiten lässt sich die Temperatur über Tsp an der Lötstelle. Wir zeigen, worauf zu achten ist.

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Temperatur messen: Da sich die Temperatur an der Sperrschicht einer LED nicht direkt messen lässt, geht man den Umweg über die Temperatur am Lötpunkt.
Temperatur messen: Da sich die Temperatur an der Sperrschicht einer LED nicht direkt messen lässt, geht man den Umweg über die Temperatur am Lötpunkt.
(Bild: Cree)

Beim Design von LED-Leuchten oder kompletten Beleuchtungssystemen spielt das thermische Management eine entscheidende Rolle. Steigt die Temperatur Tj an der Sperrschicht, so sinkt die Performance der LED. Das Problem ist, dass sich die Temperatur Tj nicht direkt ermitteln lässt. Allerdings lässt sie sich aus der Temperatur Tsp der Lötstelle ableiten. Was Entwickler dabei beachten müssen, haben wir im Text herausgearbeitet.

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Damit eine LED auch Licht emittiert, wird ein elektrischer Strom durch die Sperrschicht des Chips geleitet. Trotz der hohen Lichtausbeute moderner LEDs wird ein großer Teil der Eingangsenergie in Wärme anstatt Licht umgesetzt. Allerdings wirkt sich Wärme negativ auf die Lichtausbeute aus.

Außerdem kann die Wärmeentwicklung dazu führen, dass sich die Lichtausstrahlung allmählich verringert und es zu einem vorzeitigen Ausfall eines LED-Beleuchtungssystems kommt. Daher ist bei LEDs und entsprechenden Beleuchtungssystemen ein effektives Wärmemanagement unverzichtbar [1].

Da sich die Temperatur Tj an der Sperrschicht nicht direkt messen lässt, muss diese indirekt über die Formel ermittelt werden: Tj = Tsp th· Ptotal. Es gelten: Tj= der Sperrschicht-Temperatur in Grad Celsius (°C), Tsp = Lötpunkt-Temperatur (°C), Θ = thermische Widerstand der LED in Grad Celsius pro Watt (°C/W). Dieser Wert ist dem Datenblatt der LED zu entnehmen. Ptotal = gesamte Eingangsleistung in Watt (W). Der Wert wird ermittelt, in dem der Eingangsstrom (If) mit der Vorwärtsspannung Vf multipliziert wird.

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Messen der Lötpunkt-Temperatur

Entwickler können die Sperrschicht-Temperatur Tj von LEDs über den Umweg Tsp messen. Für die gewünschten Resultate sind folgende Faktoren zu berücksichtigen:

  • Thermoelemente mit guter Isolierung verwenden,
  • Einen direkten Lichteinfall auf das Thermoelement und dessen Kontaktstellen vermeiden, damit die Messergebnisse nicht verfälscht werden,
  • Sicherstellen, dass eine gute mechanische Verbindung zwischen Kontaktstellen des Thermoelements und dem Messpunkt Tsp besteht,
  • Das Thermoelement mit Klebeband fixieren und dadurch die Kontaktstellen entlasten,
  • Die Kontaktstellen des Elements lassen sich mit einem thermisch-leitfähigen Kleber kleben oder an der Mess-Stelle Tsp löten sowie
  • Die Temperaturentwicklung in der Zeitspanne zwischen dem Einschalten der LED und der Stabilisierung der Temperaturentwicklung erfassen. Als stabil gilt die Temperatur, wenn sie sich innerhalb von fünf Minuten um maximal 1% ändert.

Thermoelemente bei Temperaturmessungen einsetzen

Bei der Messung der Temperatur kommen in der Regel Thermoelemente zum Einsatz. Ein solches Element besteht aus zwei Drähten aus unterschiedlichen Metall-Arten, die an einem Ende miteinander verbunden sind. Die beiden Leitungen sind von einer Isolationsschicht umgeben. Nur die beiden freien Enden haben Kontakt zum Testobjekt. Ein solcher Messfühler kann beispielsweise aus einer Nickel-Chrom- und Nickel-Aluminium-Legierung bestehen.

Je nachdem, welche Temperatur an den beiden Kontakten anliegt, entsteht zwischen den Metallen eine Spannungsdifferenz (DC, Decent Current). Dieses Phänomen wird auch als Seebeck-Effekt bezeichnet. Die erzeugte Gleichspannung ist direkt proportional zur Temperatur des Testobjekts und lässt sich mithilfe eines angeschlossenen Thermometers in Temperaturwerte umsetzen. Thermoelemente werden anhand der Legierungen klassifiziert, aus denen sie bestehen. Jedes Element ist mit einer Farbcodierung versehen, die das American Nation Standards Institute (ANSI) und die Illuminating Engineering Society (IES) festgelegt haben (Tabelle [2]).

Die Temperatur an einer LED messen

Organisationen wie die Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies (ASSIST) [3] empfehlen, dass Thermoelemente gegen direkten Lichteinfall und andere Formen optischer Strahlung abgeschirmt werden sollten. Nach Praxiserfahrungen von Cree eignen sich beispielsweise Thermoelemente der Kategorie K (ANSI-Code) am besten für Messungen an den LEDs der CX-Reihe des Unternehmens. Die Design-Guides für die entsprechenden Leuchtdioden enthalten Informationen darüber, wie sich Thermoelemente am besten befestigen und Temperaturmessungen durchführen lassen.

Die Vorgaben variieren je nach LED-Typ. So kommen beispielsweise für bestimmte LED-Typen K-Thermoelemente mit einer Teflon-Isolierung (Fluorinated Ethylene Propylene FEP) in Betracht. Für Thermoelemente auf Leiterplatten (PCBs) ist dagegen eine dreischichtige Isolierung mit einem weißen Teflon-Band [4] empfehlenswert. Auf diese Weise lässt sich das Thermoelement während der Tests vor jeglicher Lichteinstrahlung schützen. Ein Thermoelement sollte so befestigt werden, dass es direkten Kontakt zur Oberfläche der LED hat, deren Temperaturwert Tj ermittelt werden soll. Wo sich der jeweilige Messpunkt befindet, ist in den Unterlagen der Hersteller aufgeführt, etwa in den Soldering and Handling Documents von Cree [5]. Im Idealfall wird das Element möglichst nah am Thermal Pad angebracht. Am gebräuchlichsten ist es, die Elemente zu löten oder zu verkleben.

Wird das Thermoelement verlötet, wird eine sichere mechanische Verbindung und ein guter thermischer Kontakt zum Messpunkt hergestellt. Mit dem Verfahren lassen sich die Temperaturen zuverlässig messen. Allerdings sollte der Anwender erfahren sein und die entsprechende Oberfläche muss sich für das Löten eignen. So kommt das Verfahren nicht bei Kunststoff-Flächen, Lötmasken und Boards aus schwer entflammbaren Verbundmaterialien (FR4) in Betracht, auf denen LEDs im Normalfall befestigt werden. Ein Thermoelement kann an speziellen Kontakt-Pads angebracht werden.

Kleben als eine Alternative zur Lötverbindung

Eine Alternative zu den Lötverbindungen ist es, die Thermoelemente aufzukleben. Allerdings haben die so verbundenen Thermoelemente eine geringere Lebensdauer. So kann es vorkommen, dass ein Thermoelement mehrmals befestigt werden muss. Zudem besteht die Gefahr, dass Messwerte durch unzureichend angebrachte Elemente verfälscht werden. Derselbe unerwünschte Effekt tritt auf, wenn ungeeignete chemische Substanzen verwendet werden. Daher ist es empfehlenswert, bereits im Vorfeld alle Materialien zu testen, die in einer LED-Leuchte zum Einsatz kommen. Das gilt auch für Lötpasten und die Rückstände von Substanzen wie Maschinenöl. Die passenden Materialien sind für die Performance einer LED-Leuchte ebenso wichtig wie der Kühlkörper, die Treiberelektronik und die optischen Komponenten.

Die Klebeverbindung bei einer LED

Generell sollte kein Material verwendet werden, das nicht vom LED-Hersteller oder dem Lieferanten der Komponenten freigegeben wurde. Das gilt auch für die Klebeverbindungen. Eine Klebeverbindung lässt sich mit Klebeband wie etwa Kapton [6] realisieren. Außerdem können Entwickler zu einem Zweikomponenten-Wärmeleitkleber wie Arctic Silver [7] greifen. Nach Erfahrungswerten von Cree eignet sich Arctic Silver dazu, Thermoelemente zu fixieren und mit diesen präzise Temperaturmessungen durchzuführen. Daher ist der Einsatz eines Zweikomponenten-Wärmeleitklebers aus Sicht von Cree die bevorzugte Befestigungsmethode.

Arctic Silver benötigt bei Raumtemperatur etwa zehn Minuten zum Aushärten. Daher ist es empfehlenswert, vor dem Mischen der Komponenten des Wärmeleitklebers das Thermoelement an der gewünschten Tsp-Mess-Stelle zu platzieren und mit Tape zu fixieren. Anschließend werden die Kontaktstellen mit einem kleinen Tropfen Arctic Silver bedeckt. Dabei ist darauf zu achten, dass genügend Wärmeleitkleber vorhanden ist, um die Kontaktstellen komplett abzudecken und das Thermoelement sicher an der Tsp-Mess-Stelle zu befestigen.

Temperatur mit kalibriertem Thermometer messen

Wurde das Thermoelement fixiert und vor Lichteinfall geschützt, kann die Temperaturmessung beginnen. Dazu wird ein kalibriertes Thermometer eingesetzt. Es eignet sich ein System mit integriertem Daten-Logger wie das Fluke 54 II [8]. Mit solch einem Messgerät lässt sich die Temperaturentwicklung über einen längeren Zeitraum hinweg erfassen und die Stabilisierung der Temperaturwerte überwachen. Anschließend wird das Thermometer für den Messvorgang vorbereitet. Praktikabel ist es, die Temperatur einmal pro Minute zu erfassen.

Anschließend wird an die LED solange eine Spannung angelegt, bis sich die gemessenen Temperaturwerte auf einem bestimmten Wert einpendeln, was zwei Stunden oder länger dauern kann. Die Temperatur gilt dann als stabil, wenn sich der Wert fünf Minuten lang maximal um 1% verändert. Für valide Messergebnisse sollte die getestete LED zudem konstanten Umgebungstemperaturen ausgesetzt sein.

Quellen

[1] Thermal Management of Cree XLamp LEDs: http://www.cree.com/~/media/Files/Cree/LED%20Components%20and%20Modules/XLamp/XLamp%20Application%20Notes/XLampThermalManagement.pdf

[2] ANSI and IEC Color Codes for Thermocouples, Wire and Connectors: http://www.omega.com/temperature/pdf/tc_colorcodes.pdf

[3] Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies (ASSIST). 2014. ASSIST recommends Recommendations for measuring high power LED primary lens surface temperature with thermocouples. vol. 13, Iss. 1. Troy, N.Y.: Lighting research Center. Internet: http://www.lrc.rpi.edu/programs/solidstate/assist/recommends/lensTemp.asp

[4] DupontTM Teflon®

[5] Produktdokumentationen der LEDs von Cree: http://www.cree.com/LED-Components-and-Modules/Products

[6] Kapton: http://www.dupont.com/products-and-services/membranes-films/polyimide-films/brands/kapton-polyimide-film.html

[7] Arctic SilverTM Thermal Adhesive: http://www.arcticsilver.com/arctic_silver_thermal_adhesive.htm

[8] Fluke 54 II: http://en-us.fluke.com/products/thermometers/fluke-54-ii-thermometer.html

* Kai Klimkiewicz ist Field Application Engineer bei Cree Europe.

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