Licht-Tipp Die 4 häufigsten Fehler beim LED-Design

Autor / Redakteur: Nat Cannon * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

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LED-Leuchten sind nicht nur sparsam, sondern auch schick. Was bei der Konzeption zu beachten ist, zweigen wir Ihnen in unserer Tipp-Serie von Cree.
LED-Leuchten sind nicht nur sparsam, sondern auch schick. Was bei der Konzeption zu beachten ist, zweigen wir Ihnen in unserer Tipp-Serie von Cree.
(Foto: Flickr/SmartLightLiving)

Das Design von Leuchten mit LED-Komponenten hat in den vergangenen Jahren erhebliche Fortschritte gemacht. Dennoch treten Fehler auf, die alle modernen LEDs betreffen, etwa eine elektrische Überlastung, die falsche thermische Auslegung von Designs oder Fehler beim Fertigungsprozess.

1. Elektrische Überlastung vermeiden: Der häufigste Grund für den herstellerunabhängigen Ausfall von LEDs ist Electrical Overstress, kurz EOS, also das Einwirken zu hoher Strom- und Spannungswerte. Tests von Cree ergaben, dass Hochleistungs-LEDs mit Einzelchip und vielen Kontakten widerstandsfähiger gegen EOS sind als Low-Power-LEDs mit Kunststoffgehäuse. Zudem erwiesen sich Chip-on-Board- (COB-)LEDs mit mehreren parallelen Leuchtdioden-Ketten als robuster als solche mit wenigen Ketten. Um EOS zu vermeiden, sollten Schutztechniken eingesetzt werden. Dazu gehören etwa Metalloxid-Varistoren (MOV) für den Überspannungsschutz und Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizient für den Überstromschutz. Ein Schutzkreislauf sollte LEDs vor Spitzen von mehr als 0,1 ms Dauer und der doppelten bis dreifachen Stärke des maximalen LED-Nennstroms schützen.

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Was muss der Entwickler eines LED-Leuchtendesigns beachten? In unserer Serie zusammen mit LED-Experten von Cree geben wir Ihnen praktische Tipps an die Hand, die Sie für Ihre tägliche Arbeit verwenden können. Um schnell auf alle Tipp-Serien zugreifen zu können, haben wir diese hier für Sie zusammen gestellt.

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2. Thermisches Design optimieren: LEDs werden meist auf eine FR-4-Leiterplatte oder Metallkernplatine gelötet, die an einem Kühlkörper angebracht wird. FR-4-Platten weisen einen höheren Wärmewiderstand auf als Metallkernplatinen. COB-LEDs werden oft an einem Kühlkörper befestigt, wobei Steckverbinder und Kühlkörper miteinander verschraubt sind. Um die Wärmeableitung zu optimieren, ist ein Wärmeleitmaterial, das sogenannte Thermal Interface Material (TIM), erforderlich. TIM schließt die Lücken zwischen COB-LED und Kühlkörper und verhindert, dass sich ein isolierendes Luftpolster bildet. Zudem sollte ein ausreichender Wärmeableitungsweg vorhanden sein.

3. Chemische Kompatibilität überprüfen: Ein weiterer Fehler ist der Einsatz ungeeigneter flüchtiger, organischer Substanzen. Sie sind beispielsweise in Klebern, Dichtungen und Verguss-Materialien enthalten und können die Lichtstromleistung oder den Farbort beeinträchtigen. Grundsätzlich sind diejenigen LEDs besonders empfindlich (herstellerunabhängig), die energiereiches blaues, königsblaues oder weißes Licht abgeben. Chemische Inkompatibilität tritt vor allem dann auf, wenn Teile des Systems versiegelt sind und kein Luftaustausch erfolgt. Dadurch steigt die Temperatur der LED. Mit dem richtigen Design und Tests lassen sich die Auswirkungen chemischer Inkompatibilität allerdings vermeiden.

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4. Handhabung von LEDs während der Produktion optimieren: Typische produktionsbegleitende Probleme sind Schäden durch Feuchtigkeit. Deshalb werden LEDs oft in feuchtigkeitsdichten Moisture Barrier Bags, kurz MBBs genannt, ausgeliefert. Zum Schutz werden die LEDs vorbehandelt, was etwa durch Trocknen im Ofen erfolgen kann. LEDs aus einem MBB, die nicht verlötet wurden, sollten in einem luftdichten oder mit Stickstoff durchgespülten Behälter mit frischem Trocknungsmittel aufbewahrt werden.

Ein weiterer Stressfaktor für die LED ist das Verbiegen der Leiterplatten. Gründe hierfür sind das Anziehen von Schrauben, das Reflow-Löten und das Trennen der PCBs. Bei keramikbasierten Hochleistungs-LED-Komponenten kann das zu Mikrorissen führen. Daher sollten Schrauben an einem Kühlkörper maschinell mit einem vorgegebenen Drehmoment angezogen werden und die Boards nicht auf unebenen Oberflächen bearbeitet werden.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 6/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar. Oder: Bestellen sie das Probeabo mit drei kostenlosen Ausgaben!

Hilfreich ist zudem, Wärmeleitpaste oder Pads gleichmäßig zu verteilen. Wird ein neues Lötverfahren implementiert, empfiehlt es sich, die Qualität der Lötverbindungen durch Tests zu überprüfen. Zu beachten sind zudem die speziellen Anforderungen von LEDs. Automatisierte Bestückungswerkzeuge sind für hohe Geschwindigkeiten und Halbleiter mit flacher Oberseite ausgelegt. LEDs mit ihrer gewölbter Oberfläche erfordern daher spezifische Prozessparameter im Bestückungssystem. Die meisten Probleme lassen sich durch eine Anpassung der Werkzeuge lösen, etwa durch Auswahl des richtigen Bestückungskopfes oder durch Nutzung einer für LEDs optimierten Beschickungseinheit (Nozzle)

* Nat Cannon arbeitet als Applikationsingenieur bei Cree.

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