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Anforderungen an Kühlkörper und deren Montage Thermisches Management von LEDs optimal auslegen

| Autor / Redakteur: Lothar Noelle* / Kristin Rinortner

Bei der vielgestaltigen Verwendung von LEDs als Anzeige- und Beleuchtungselemente ist eine geeignete Entwärmung für die fehlerfreie und langlebige Funktion der Dioden unabdingbar. Hier sind verschiedene Aspekte vom richtigen Kühlkörper bis hin zur thermisch optimalen Montage zu beachten.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die Leuchtdiode hat sich in den letzten vier Jahren zu einer bedeutenden Beleuchtungseinrichtung entwickelt. Der ursprüngliche Anwendungszweck als Anzeigeelement spielt heute nur noch eine untergeordnete Rolle.

Im Gegensatz zu Leuchten wie Glühlampen oder Gasentladungslampen ist der LED-Beleuchtungskörper ein Halbleiterbauteil. Durch diese neue Lichttechnik erweitern sich die Möglichkeiten bei Beleuchtungskonzepten. Die Herausforderung besteht darin, dass Entwickler das thermische Verhalten, d.h. die Entwärmung, in den Griff bekommen.

In der LED wird nicht die gesamte elektrische Energie in Lichtleistung umgewandelt. Wie bei allen Halbleiternbauelementen wird ein großer Teil der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt. Deshalb ist hier – anders als bei thermischen Strahlern (Glühlampe) – ein thermisches Management unbedingt erforderlich.

Effizienz und Lebensdauer einer Leuchtdiode

Im Gegensatz zu konventionellen Leuchten haben LEDs bei vergleichbarer Lichtausbeute einen deutlich geringeren Energieverbrauch. Dazu kommt, dass Leuchtdioden kaum Wärme in Richtung der Lichtabstrahlung erzeugen (fast keine Infrarotstrahlung), unempfindlich gegenüber mechanischen Erschütterungen sind, eine hohe Schaltleistung erreichen und eine sehr lange Lebensdauer (bis 100.000 h) aufweisen.

Über die chemische Zusammensetzung und Dotierung des Halbleiterwerkstoffes können die Farbe und Effizienz der Leuchtdiode eingestellt werden. Die Leuchtdichte, der Lichtstrom und die Lichtleistung sind mit der Größe des Vorwärtsstromes verknüpft. Dieser beeinflusst durch die entstehenden Temperaturen maßgeblich Funktion und Lebensdauer der Halbleitersperrschicht und damit der LED.

Das thermische Management bei LEDs

Halbleiter-LEDs verändern mit der Zeit ihre Emissionseigenschaften – die Intensität der Lichtausbeute nimmt kontinuierlich ab. Dieses Verhalten wird als LED-Alterung bzw. als Degradation bezeichnet und steht im Zusammenhang mit der Ausweitung und Vergrößerung von Störstellen im Chip.

Die Umgebungs- und damit die Chiptemperatur beeinflussen direkt die Effizienz und die Lebensdauer der LED: Ein zu hoher Lichtstrom durch höheren elektrischen Strom erhöht die Temperatur in der LED und ebenso verkürzen starke Temperaturschwankungen die Lebensdauer erheblich.

Auch die für Kapselung und Linsenformung der LED verwendeten Kunststoffe unterliegen der Alterung und somit Trübung.

Temperaturinduzierte Effekte und Fehler

Gleichung 1 (Archiv: Vogel Business Media)

Die Chiptemperatur der LED beeinflusst die Lichtausbeute, die Lichtfarbe und die Vorwärtsspannung, außerdem beeinflussen die Umgebungstemperatur und die Selbsterwärmung durch elektrischen Stromfluss die Chiptemperatur. Der Lichtstrom Φ als Funktion der Temperatur berechnet sich nach Gleichung 1.

Bild 1:Lichtstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur für rote LEDs bei konstantem Strom (Quelle: Lumileds) (Archiv: Vogel Business Media)

Die Degradation als Funktion des Temperaturanstieges ist beispielhaft in Bild 1 dargestellt. Die Kurve zeigt, dass eine Temperaturerhöhung von 25 auf 75°C den Lichtstrom um annähernd die Hälfte reduziert.

Die Temperatur hat ebenfalls einen großen Einfluss auf die Glasübergangstemperatur der Die-Kapselung, d.h. den Übergang vom hart-festen zu einem weicheren Zustand. Eine Veränderung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe geht grundsätzlich mit einer Gehäusetemperaturerhöhung einher. Um hier Ausfälle zu vermeiden, ist stets darauf zu achten, dass die Junction-Temperatur Tj nicht höher wird als die Gehäusetemperatur.

Gleichung 2 (Archiv: Vogel Business Media)

Der Wärmewiderstand einer LED genügt den in der Wärmetechnik bekannten Abhängigkeiten der Temperatur-Verlustleistungszusammenhänge und berechnet sich nach Gleichung 2.

Gleichung 3 (Archiv: Vogel Business Media)

Der in der Praxis relevante Wert der Junction-Temperatur errechnet sich nach Gleichung 3.

Leuchtdioden wirksam entwärmen

Würde man alle relevanten Wärmewiderstände, die bei der LED die Summe der einzelnen Wärmewiderstände der Materialien und Übergänge sind, berücksichtigen, wäre die wärmetechnisch optimale Auslegung äußerst komplex. Es werden ca. 5 bis 10% der LED-Leistung direkt in Licht konvertiert, die restliche Leistung muss als Verlustwärme beim Betrieb der LED von den Komponenten im System abgeleitet und an die Umgebung (Luft) abgegeben werden. Das geschieht besonders einfach durch eine künstliche Oberflächenvergrößerung der LED-Montagekontaktzone.

Im wesentlichen lassen sich Leuchtdioden über das Leuchtengehäuse, die Leiterkarte und mittels zusätzlichem auf der Leiterkarte oder separat montiertem Kühlkörper entwärmen. Die Entwärmung über das Leuchtengehäuse ist unterteilt in zwei Teilpfade, dem über die Junction-Verbindung zu den Anschlussbeinen und dem zum Lampengehäuse – das sind die Anschlussdrähte zur Umgebungsluft. Für Hochleistungs-LEDs ist die sichere Funktion mit dieser nur minimalen Wärmeableitung nicht gegeben.

Wärme über die Leiterkarte ableiten

Als weitere Entwärmungsform ist die Wärmeableitung über die Leiterkarte, auf der die LEDs montiert sind (falls vorgesehen), möglich. Hier gibt es viele Gestaltungsmöglichkeiten für den Anwender. Bei sehr geringen Wärmemengen ist ein einfaches FR4-Leiterkartenmaterial mit zusätzlicher, aufgedruckter Wärmeleitpaste zum besseren Wärmeübertrag in seltenen Fällen ausreichend. Bei größeren Wärmemengen werden spezielle Leiterkartenbauformen verwendet, da FR4 keine besonders gute Wärmeleitfähigkeit besitzt.

Bei LED-Anordnungen wird als Leiterkartentyp mit Entwärmungsmöglichkeit häufig die Metal-Core-Leiterkarte verwendet. Eine Basisplatte aus Aluminium kann die Wärme, die von den LEDs über „Thermal Vias“ (Kupfer-Durchkontaktierungen) an diese Aluminiumplatte weitergeleitet wird, von dort direkt oder über zusätzlich montierte Kühlkörper an die Umgebungsluft ableiten. Neben den starren Leiterkarten funktioniert das in gleicher Weise für flexible PCB aus PET, PEN, PI etc., denn auch hier besteht die Möglichkeit, einen Aluminium-Wärmespreizbereich und Kühlkörper aufzukleben.

Entwärmen mittels Kühlkörper

Für hohen Leistungsbereiche bei LED-Anwendungen ist allerdings die Entwärmung mittels Kühlkörper unerlässlich. Dazu sind unterschiedliche Ansätze der Kühlkörpergestaltung vorhanden.

Bild 2:Für hohe Leistungen sind Kühlkörper zur Entwärmung unerlässlich. Das Beispiel zeigt einen Kühlkörper für freie Konvektion, auf den die LED mechanisch fixiert wird. (Archiv: Vogel Business Media)

Ein probates Konzept zur Entwärmung von Hochleistungs- (Power-) LEDs ist die Verwendung von Kühlkörpern für freie Konvektion. Die zu entwärmenden LEDs werden hierzu auf einem ausgewählten Kühlkörper wärmeleitend und mechanisch fixierend montiert (Bild 2).

Einige Punkte zur Kühlkörperauswahl

Die Auswahl eines für die Applikation geeigneten Kühlkörpers erfolgt, nachdem die thermischen Kriterien aufgestellt und der Wärmewiderstand berechnet sind (es sollten immer auch die Unterlagen und Hinweise der LED-Herstellerfirmen beachtet werden). Berücksichtigt muss die Einbausituation und der zur Verfügung stehende Platz werden.

Bild 3:Die Anbieter von LEDs geben in ihren Datenblättern die Wärmewiderstandswerte in Abhängigkeit von der Größe des Kühlkörpers an (Archiv: Vogel Business Media)

Besonders wichtig ist die Orientierung des Kühlkörpers im Raum. Kammprofile sollten so montiert werden, dass der natürliche, konvektive Auftrieb nicht behindert wird. Bei aktiver Entwärmung ist auf eine möglichst barrierefreie Luftzufuhr und Luftabfuhr zu achten. Die Anbieter der Kühlkörper für LEDs geben in ihren Diagrammen die Wärmewiderstandswerte in Abhängigkeit von der Größe des Kühlkörpers an (Bild 3). Der Anwender wählt aus diesen Diagrammen anhand des vorher berechneten Wärmewiderstands den für die spezifische Applikation geeigneten Kühlkörpers aus.

Die stetig steigende Nachfrage nach LED-Kühlkörpern führt zur Entwicklung immer weiterer, speziell abgestimmter Konzepte. Neben vielen Standardkühlkörpern, die für LED-Entwärmung einsetzbar sind, werden auch besonders für LED modifizierte Kühlkörpervarianten und speziell auf einzelne LED-Systeme abgestimmte Versionen angeboten.

Zusätzliche Wärmespreizung durch Kupferschichten

Bild 4:Eine zusätzliche Wärmespreizung wird durch Bschichten des Kühlkörberbodens mir Kupfer erreicht. Die LED wird auf den Kühlkörper aufgelötet. (Archiv: Vogel Business Media)

Durch den punktuellen Wärmeeintrag einer LED in den Kühlkörper ist manchmal eine zusätzliche Wärmespreizung sinnvoll. Eine Möglichkeit ist das Beschichten des Kühlkörperbodens mit Kupfer, wobei diese Kupferfläche auch lötfähig sein kann und eine direkte Lötmontage der LED auf dem Kühlkörper ermöglicht (Bild 4).

Aktive Entwärmung durch Luft

Durch bewegte Luft lässt sich die Leistungsfähigkeit der Entwärmung weiter steigern. Ein Kühlkörper mit Ventilator erreicht je nach Applikation nochmals eine Verbesserung der Wärmeableitung um ca. 40%. Die dazu verwendeten Kühlkörper sind speziell auf die gute Wärmeableitung mittels bewegter Luft ausgelegt.

Nachteilig bei der aktiven Entwärmung ist, dass diese nicht geräuschlos ist. Lüftermotoren und Luftbewegung erzeugen Schallwellen, die bei etlichen Anwendungen, z.B. Haushaltsbeleuchtung, Konzertsäle, Institutsräume etc., störend wirken und nicht erwünscht sind.

Positiven Aspekte der Lüfterkühlung sind – neben der niedrigeren Gesamttemperatur – eine geringere Verschmutzung (Staubablagerungen) und besonders eine gleichförmigere Wärmeverteilung bei häufigerem Ein-/Ausschalten.

Diagramm zur Kühlkörperauswahl bei bewegter Luft. Angegegen wird der Wärmewiderstand in Abhängigkeit von der Luftgeschwindigkeit. (Archiv: Vogel Business Media)

Analog zur Kühlkörperauswahl für freie Konvektion ist der passende Kühlkörper für bewegte Luft anhand der entsprechenden Wärmewiderstandsdiagramme. die eine Abhängigkeit von der Luftgeschwindigkeit angeben, auszuwählen (Bild 5).

Weitere mögliche Entwärmungsmöglichkeiten für sehr große Wärmemengen bei LED-Anwendungen sind z.B.: Thermoelektrik-Kühlung (Peltier-Element) oder auch Flüssigkeitskühlung (Mikrokanal etc.). Deren Verwendung ist jedoch nur marginal, da diese Varianten sehr aufwendig und teuer sind.

LED-Montage mit gutem Wärmeübergang

Besonders wichtig ist die Anbindung der LED an die Wärmesenke, da bei einem schlechten Wärmeübergang von der LED zum Kühlkörper die Wärmeleitung reduziert und die LED-Temperatur deutlich erhöht wird. Dadurch kann die Funktion und Lichtleistung der Leuchdiode eingeschränkt werden. Auch ein Temperaturanstieg bis zur Zerstörung ist möglich.

Ein optimalen Übergang zwischen LED-Bauteil und Kühlkörper erreicht man, wenn die durch Fertigungsprozesse unvermeidlichen Toleranzen, Unebenheiten und Rauhigkeiten der zu verbindenden Oberflächen egalisiert werden und Lufteinschlüsse, die den Wärmetransport behindern, vermieden werden.

Wärmeleitpaste, Klebeband, Epoxidharz-Kleber oder Löten

Wärmeleitpasten, die zum verbesserten Wärmeübergang führen, sollten immer verwendet werden, speziell bei einer mechanischen Befestigung der LED mittels Schrauben.

Erfolgt die Befestigung durch ein thermisch leitendendes, doppelseitiges Klebeband oder durch 2-Komponenten Epoxidharz-Wärmeleitkleber sind die Unebenheiten gleichermaßen egalisiert. Beim Verwenden von Klebstoffen ist jedoch unbedingt darauf zu achten, dass keine oder nur wenige flüchtige organische Verbindungen ausdünsten, die sich eventuell auf der LED-Oberfläche niederschlagen könnten, und dann zu einer Trübung der Kunststoffabdeckung/Linse führen würden.

Wenn die Bauform der LED es ermöglicht, ist auch eine löttechnische Montageverbindung mittels Reflow- oder IR-Löten sinnvoll, da hierbei neben der mechanischen Fixierung ein sehr guter thermischer Übergang erzielt wird.

Bei allen Platzierungen und Montagearten ist grundsätzlich zu beachten, dass keine, zu den LEDs benachbarte oder beigefügte, elektronische bzw. passive wärmeemittierende Bauteile wie Transistoren, Widerstände, Transformatoren etc. die Wärmeableitung behindern oder noch zusätzliche Wärme in das System einkoppeln.

Ausblicke und Trends

Als in den frühen 60er Jahren die ersten LEDs verfügbar wurden, lagen die möglichen Leuchtdichten dieser LEDs bei etwa <0,1 lm/W. Daraus entwickelten sich sind bis heute Standards von >50 bis 100 lm/W. Neuere technische Entwicklungen bei Hochleistungs-LEDs in Richtung besserem Wirkungsgrad, höherer Lichtausbeute und höherem Lichtstrom führen sicher noch in diesem Jahr zu LED-Leuchten, die mit >150 lm/W auch Leuchtstofflampen ersetzen können.

Auch wurde bereits von namhaften Herstellern bekannt gegeben, dass eine 1000-lm-LED (ca. 75 lm/W) entwickelt wurde, die in ihrer Leuchtdichte einer 50-W-Halogenlampe mit ca. 900 lm entspricht.

Für mobile Anwendungen hervorragend geeignet ist eine bereits am Markt verfügbare, um ca 40% in der Lichtleistung gesteigerte, weiße 3-W-SMT-LED mit einer Leuchtdichte von 160 lm/W.

Alle bisherigen Leuchtdioden werden mit Gleichspannung berieben, wozu spezielle Treiberschaltungs-ICs und neuartige Ansteuerschaltungen für die PWM-Regelung von LEDs mit hohen Stromdichten benötigt werden. Mittlerweile gibt es erste Angebote von Wechselspannungsleuchtdioden, die ohne externe Beschaltung direkt an das Haushaltsstromnetz angeschlossen werden können (AC-(rich)-Technologie) und eine Lebensdauer von 30.000 h erreichen sollen. Die Stromeinsparung ist enorm: 60 bis 80% weniger gegenüber Leuchtstoff- und Glühlampen.

In der Zukunft wird sich die LED als das bestgeeignete Leuchtmittel und als universelle Lichtquelle für jede Art der Beleuchtungsanwendung am Markt etablieren. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Einbaubedingungen wird für sehr viele Anwendungsfälle ein Kühlkörper notwendig sein. Dabei ist für die schnelle Entwicklung und eine gute, garantierte, langlebige und fehlerfreie Funktion der LEDs das geeignete thermische Management von herausragender Bedeutung.

*Lothar Noelle ist als Entwicklungsingenieur bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.

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