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Viel Licht, kleine Fläche: NX-Plattform von Cree ermöglicht LEDs mit 220 lm/mm²

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

Mit der LED-Familie XD bietet Cree eine Serie, die auf eine spezifische Lichtausstrahlung von bis zu 220 lm/mm² kommt. Zusammen mit einem kompakten Gehäuse sind neue Anwendungsszenarien möglich.

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LED-Familie: Das erste Produkt aus der Familie Extreme Density ist die LED des Typs XD16. Sie bietet eine spezifische Lichtausstrahlung von bis zu 220 lm/mm².
LED-Familie: Das erste Produkt aus der Familie Extreme Density ist die LED des Typs XD16. Sie bietet eine spezifische Lichtausstrahlung von bis zu 220 lm/mm².
(Bild: Cree)

Der Trend zu immer kleineren, leichteren und dünneren Leuchten ist weiter ungebrochen. Um die Größe der LED-Pakete zu reduzieren, haben sich in den letzten Jahren viele Leuchtenhersteller auf die Technik des Chip Scale Package (CSP) konzentriert. Während das der erste Schritt war, LEDs mit einer höheren Leuchtdichte zu entwickeln, müssen die Entwickler bei der CSP-Technik weiterhin daran arbeiten, Zuverlässigkeit, Montage sowie thermisches und optisches Design zu optimieren.

Mit der jetzt vorgestellten NX-Plattform reagiert Cree auf einige der genannten Probleme, die bei früheren Entwicklungen auftreten und macht einen wichtigen Schritt in Richtung LED-Revolution. Durch die neue Entwicklung lässt sich die Leistungsfähigkeit von LEDs in Beleuchtungsanwendungen nach Angaben von Cree drastisch verbessern.

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Leistungsstarker LED-Chip in kleines LED-Gehäuse

Das erste Produkt der aus der Familie Extreme Density ist die LED des Typs XD16: Sie bietet eine spezifische Lichtausstrahlung von bis zu 220 lm/mm² und soll einen Meilensteine in der LED-Geschichte setzen. Hier wird ein großer und sehr leistungsstarker LED-Chip in ein kleines LED-Gehäuse mit den Maßen 1,6 mm x 1,6 mm gesetzt. Der Großteil der LED-Oberfläche ist somit licht-emittierend. Das Prinzip klingt einfach, ist aber das Resultat aus jahrelanger Erfahrung aus der Chip-Entwicklung, der LED-Gehäuse und insbesondere der hochqualitativen Serien-Herstellung solcher LED-Produkte.

Höhere Leuchtdichte auf einer gegebenen Fläche

Ein Größenvergleich macht es deutlich: Die XP-G3 misst 3,45 mm x 3,45 mm und die XD16 kommt auf 1,6 mm x 1,6 mm. Beide verfügen über den gleichen Chip bei einem Größenverhältnis von Faktor 4,6. Die LED des Typs XD16 verbindet den Vorteil des Formfaktors kleiner LED-Gehäuse mit der Leistungsklasse mittlerer und größerer Gehäuse. Dementsprechend kann man mit der XD16 mehr LEDs auf einer gegebenen Fläche unterbringen und somit deutlich höhere Leuchtdichten bzw. eine höhere Flächenhelligkeit erreichen.

Betrachtet man den runden Aufbau, wie er im Bild dargestellt ist, lässt sich die LED-Anordnung flexibel gestalten. Hier können deutlich mehr LEDs des Typs XD16 als XP-G3 LEDs auf dem 22 LES (Light Emitting Surface = Durchmesser der Leuchtfläche) angeordnet werden. Im Vergleich zu den 22 LEDs des Typs XP-G3 mit einem Lichtstrom von 8000 lm auf der rechten Seite bringen die 95 LEDs des Typs XD16 auf der linken Seite bei gleicher elektrischer Aufnahmeleistung einen Lichtstrom von 11.000 lm. Das sind relativ betrachtet bis zu 38 Prozent mehr Lichtstrom. Zudem ist die Effizienz mit 169 lm/W bei der Anordnung der XD16 um 39 Prozent höher. Das Beispiel ist auf eine LED-Temperatur von 25 °C ausgelegt, aber selbst bei hohen Temperaturen sind die Werte immer noch beachtlich.

Ein ähnliches Konzept kennt man von den sogenannten den LEDs mit Chip Scale Package (CSP). Hier wurde allerdings das Gehäuse deutlich verschlankt. Der vorgebrachte Kostenvorteil ist weniger glaubwürdig, da der Chip stets den Hauptteil der LED-Herstellungskosten ausmacht. Das Thema der Leuchtdichte wird bei den CSP auch gut optimiert. Allerdings strahlen die CSP-LEDs ihr Licht mehr in den Seitenbereich ab. Bei engen Abständen in LED-Clustern kommt es daher zu recht großen Abschattungsverlusten; hier spricht man vom sogenannten Crosstalk. Diese Verluste können schnell 20 bis 30 Prozent betragen. Bei der LED Typ XD16 entsteht selbst bei engsten Abständen von 0,2 mm nur ein Crosstalk von rund zwei bis drei Prozent. Das sorgt für eine deutlich bessere Systemeffizienz.

Es gibt kaum Grenzen bei der Anordnung der LED

Ein weiterer Nachteil des minimalistischen Aufbaus der CSPs ist die Handhabbarkeit. Beim Lötprozess können die LEDs schnell aufschwimmen und dann schief und/oder versetzt von dem Lötpad sitzen. Das sorgt für eine schlechtere thermische Anbindung, die wiederum auch die Performance reduziert. Im Gegensatz dazu hat die XD16-LED immer noch ein Ceramic-Substrat und bietet damit die bewährte Verarbeitbarkeit, die insbesondere für eine langzeit-zuverlässige LED-Funktion entscheidend ist. Bei der Art der Anordnung der sehr kompakten LEDs sind kaum Grenzen gesetzt. Durch den Einsatz verschiedener Farbtemperaturen (CCT) können dynamische Weißlicht- oder Circadiane-Szenarien durchlaufen werden. Die XD16 ist beispielsweise auf dem Footprint der XQ-E LEDs aufgebaut und die XQ-E LEDs ist in verschiedenen Farben verfügbar. Dazu gehören neben klassischem Rot, Grün und Blau auch Photo-Red im Spektralbereich von 660 nm, Far-Red mit 730 nm, Royal-Blue mit 450 nm und Phosphor-Converted-Amber.

Zieht man die Plattform mit 3,45 mm x 3,45 mm zum Vergleich, so kann man auf dieser Fläche vier XD16-LEDs unterbringen, was dann sogar auch mit vielen der üblichen Sekundäroptiken gut funktioniert. Damit lässt sich die ein oder andere Applikation einfach auf ein neues Performance-Niveau bringen. Vorausgesetzt ist, dass die Entwärmung für die bis zu vierfache Wärmeleistung möglich ist. Trotz des kompakten Gehäuses hat die LED des Typs XD16 mit 5 K/W einen geringen thermischen Widerstand Rth und ermöglicht damit eine sehr effiziente thermische Anbindung an Platine und Kühlkörper.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die neuentwickelte XD16 ein neues Kapitel der Erfolgsgeschichte der Leuchtdioden einläutet. Überall dort, wo viel Licht von einer sehr kleinen Fläche gewünscht oder benötigt wird, ermöglicht sie eine spezifische Lichtausstrahlung mit einem Wert von bis zu 220 lm/mm².

* Kai Klimkiewicz ist Field Application Engineer Central Europe bei Cree in Unterschleißheim.

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