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Chip-on-Board-LED: Das bieten aktuelle keramik- und metallbasierte COB-LEDs

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

Für den Leuchtenentwickler bieten die Chip-on-Board-LED verschiedene Vorteile: Effizienz, Lebensdauer oder Lichtqualität. Beim Substrat gibt es Keramik oder Metall. Doch trotz Vorteile gibt es auch Risiken beim Einsatz.

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Die Vorteile der COB-LED: Bei modernen Leuchten kommt es auf Effizienz, Lebensdauer und der Farbortstabiliät an. Auch beim Substrat gibt es Unterschiede.
Die Vorteile der COB-LED: Bei modernen Leuchten kommt es auf Effizienz, Lebensdauer und der Farbortstabiliät an. Auch beim Substrat gibt es Unterschiede.
(Bild: Cree )

Die Chip-on-Board- (COB-)LEDs sind in der Branche sehr beliebt. Ihr großer Erfolg liegt unter anderem darin begründet, dass sie leicht installierbar sind und Leuchten mit nur wenig Aufwand adaptiert werden können.

Wegen ihres Aussehens werden sie auch „Spiegeleier“ oder „Sunny Side up“ genannt. Sie erfüllen einen großen Wunsch der klassischen Leuchtenindustrie. Zum Teil wurde nur die Fassung integriert und die Leuchtmittel dann vom Endnutzer eingesetzt, um eine individualisierbare Lösung zu bieten und den Aufwand für Hersteller zu vereinfachen. Man denke hier einfach an die klassische Edison-Fassungen E27 oder E14. Hier konnte man die gewünschten Glühlampen in der bevorzugten Farbtemperatur und Leistung auswählen.

Die Besonderheiten bei Hochstrom-LEDs

Allerdings war es mit dem einfachen Wechsel vorbei, als die ersten Anwendungen High-Power-LEDs verwendeten. Grund: Ganz zu Anfang ließen sich Hochstrom-LEDs noch nicht mit dem klassischen Reflow-Lötverfahren verarbeiten. Hier sorgten COBs für eine einfache Handhabe, indem ohne große Produktionstiefe das COB mit Hilfe eines Anschlusselements, Käbelchen und EVG LED Licht in eine Leuchte integriert werden konnte.

Das ist aber nun auch einige Jahre her. Zwischenzeitlich sind viele weitere erfolgreiche Kapitel der LED-Geschichte geschrieben worden. Auch bei den COBs ist die Entwicklung stark vorangeschritten. Neben der Kostenstruktur sind Effizienz, Lebensdauer, Farbortstabilität sowie die Feinheit des Farbspektrums und den damit verbundenen Farbwiedergabewerten die wichtigsten Leistungsparameter der neuen COB-Generation. Je nach Anwendung finden die einzelnen Punkte die entsprechende Gewichtung. Schauen wir uns die technischen Parameter genauer an:

  • Die Effizienz ist abhängig von der Aussteuerung und der thermischen Situation. Hier gilt es, die optimale Balance zu finden, da sonst auch die kommerzielle Seite nicht passt. Bei einer Ausbeleuchtung in Neutralweiss und mit geringerem CRI kann bei üblichen Betriebstemperaturen die Marke von 200 lm/W erreicht oder sogar durchbrochen werden. Bei warmweißen Anwendungen mit höheren Ansprüchen an die Farbwiedergabe von min. 90 CRI lassen sich mit souveränem thermischem Design teils nur 150 bis 160 lm/W erreichen.
  • Als Teil der Lebensdauer sollte man stets auch die Farbortstabilität sehen, damit stabiles Licht in gleicher Form wie Spektrum, Farbort und Farbwiedergabe zur Verfügung steht. In den LM80-Tests werden die Farborte nur über die Testzeit verfolgt. Leider gibt es noch keine wirkliche Methode, um mögliche Farbdrifts über die gesamte Lebensdauer zu extrapolieren. Gremien arbeiten allerdings an einer möglichen Lösung mit vielversprechendem Mehrwert.
  • Die Ansprüche an die Lichtqualität sind deutlich gestiegen. Als neuer Bewertungsmaßstab nutzt TM30 anstatt 99 acht Referenzfarben und setzt einen Fokus auf die Farbsättigung, die bisher nur wenig Aufmerksamkeit bekam.

Eine Frage des Substrats: Keramik vs. Metall

Über die Jahre haben sich Keramik und Metall als Substrat für COB-LEDs etabliert. Neben der Präferenz des Anwenders gibt es hier bei jeder Lösung elementare Vorteile :

  • Keramik: bietet eine besonders hohe Lebensdauer/Farbortstabilität, höhere Effizienz bei einem geringen Strom sowie eine höhere Durchschlagsfestigkeit.
  • Metall: lässt sich im Bedarfsfall einfach befestigen, ohne dass spezielle Anschlusselemente notwendig sind. Zudem besteht ein geringeres Risiko einer mechanischen Beschädigung sowie gute Effizienz bei hohen Strömen.

Für beide Optionen gibt es hinsichtlich der Komplementärlösungen eine umfangreiche Vielfalt, sodass der richtige Reflektor oder Halter (Anschlusselement) kein Auswahl-Kriterium darstellt. Der LED-Hersteller Cree bietet neben den etablierten Keramik-COBs zwei neue Metall basierte COB-Familien. Bisher unterschied man bei den Keramiklösungen zwei Bereiche: Der Standardbereich für die normalen und preissensitiven Anwendungen und High-Density-Anwendungen, wo es auf besonders viel Licht von kleinen LES = Light Emitting Surface ankommt. Dabei ist das LES, also die Fläche des Lichtaustritts, besonders für engstrahlende Anwendungen optimiert.

Ergänzend dazu bieten die Metall-Varianten hohe Stromvarianten. Mit der ersten CMA-Familie werden die die Formfaktoren CXA und CXB von Cree weitergeführt. Mit der weiteren CMT-Plattform konzentriert sich der Hersteller auf die sonst am Markt gängigen Formfaktoren, um Kunden einen einfachen Umstieg zu ermöglichen, ohne am Leuchten-Design wirklich etwas ändern zu müssen.

Die Risiken einer COB-LED

Die erwähnten Vorteile der COB-LED birgt aufgrund der vielen manuellen Arbeitsschritte auch Risiken. Wird beispielsweise TIM = Thermal Interface Material aufgetragen, kann das zu Problemen führen: Die Folien haben Falten oder die Pasten sind nicht genau dosiert und aufgetragen. Wird das COB in den Halter eingesetzt, kann es zu Verkantungen kommen. Gerade bei den keramischen COBs ist bei der Montage das richtige Drehmoment beim Verschrauben der Anschlusselemente sehr wichtig. Zu wenig verhindert die optimale thermische Anbindung. Zu viel kann zu mechanischen Schäden bis hin zum Durchbrechen des Keramiksubstrats führen. Bei einer erfahrenen und umsichtigen Verarbeitung sind die Risiken kontrollierbar. Doch im Vergleich zu den diskreten LEDs werden die manuellen Aufwendungen oft als weniger kosteneffizient angesehen.

Bei der automatisierten Fertigung gibt es Bewegung: Ein Vorreiter ist die Firma BJB aus dem Sauerland. Neben den verschiedenen mechanischen Komponenten bietet BJB auch komplette Montagesysteme, die automatisiert COBs assemblieren und damit die relevanten Komplementärelemente präzise zusammenmontieren.

* Kai Klimkiewicz arbeitet bei Cree als Field Application Engineer Central Europe.

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