LEDs in der Beleuchtung Wie eine High-Power-LED den Kühlaufwand drastisch reduziert

Autor / Redakteur: Stefan Kerscher * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die Micro-08 Hi-Power-LED wird mit der Flip-Chip-Technik produziert, wobei der Chip direkt auf den Submount bestückt wird. Der thermische Widerstand beträgt <4 °C/W und Systemkosten lassen sich einsparen.

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Freiraum für das Leuchtendesign: Standard-Arbeitstemperaturbereich von -40 bis 85 °C und ein thermischer Widerstand von <4° C/W bieten die SYXEM Micro-08 Hi-Power-LEDs.
Freiraum für das Leuchtendesign: Standard-Arbeitstemperaturbereich von -40 bis 85 °C und ein thermischer Widerstand von <4° C/W bieten die SYXEM Micro-08 Hi-Power-LEDs.
(contoc)

Jeder Licht-Designer weiß, dass LEDs mit speziellen PCBs und Kühlkörper gekühlt werden müssen. Das ist mit einem hohen materiellen und finanziellen Aufwand verbunden. Bekannt ist auch, wie schnell durch eine fehlerhafte Auslegung des thermischen Designs die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von LED-Leuchten eingeschränkt wird.

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Kommen sogenannte Power-LEDs zum Einsatz, verschärft sich die Kühlproblematik aufgrund des notwendigen hohen Stromes nochmals, denn dieser erzeugt in der Sperrschicht des Halbleiters unvermeidlich ein hohes Wärmevolumen. Hier muss die entstehende Wärme zuverlässig abgeführt werden. Auf keinen Fall darf die maximal zulässige Sperrschichttemperatur auf Dauer überschritten werden. Der Leuchten-Designer hat darauf zu achten, dass diese Bedingung durch den ausreichenden Wärmetransport über Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Konvektion erfüllt wird.

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Sie ist leistungsstark und trotzdem bietet sie kleine Abmessungen: Die Syxem Micro-08-Serie ist eine sogenannte Flip-Chip-LED. Damit erreicht sie einen sehr guten Wärme-Widerstandswert von <4 °C/W. Ein weiterer wesentlicher Vorteil bei einer direkten Verbindung von LED und dem Chip sind kleinere LEDs und eine damit verbundene geringere Grundfläche von 1,075 mm x 0,825 mm. Trotzdem erreicht die LED eine Beleuchtungsstärke von 16.000 lm/cm². Die Lichtausbeute in Lumen je Watt gibt der Hersteller mit >95 bei 350 mA an.

Wenn ein geringer Wärme-widerstand hilft

Je geringer der Wärmewiderstand der LED ist, desto einfacher kann die Wärme nach außen abgeleitet werden. Genau an diesem Punkt setzt die Micro-08 Hi-Power-LED an. Die Flip-Chip-Technik überzeugt einerseits mit ihren technischen Daten und ermöglicht darüber hinaus die LED-Leuchtenfertigung zu geringen Kosten. Im Vergleich zur schlechten Wärmeleitfähigkeit von herkömmlich gefertigten Low- und Mid-Power-LEDs weist die hier vorgestellte LED einen deutlich effizienteren Wärmeableitungsweg auf.

Ein Blick auf die Flip-Chip-Technik macht deutlich, weshalb ein thermischer Widerstand von weniger als 4 °C/W erzielt wird. Hintergrund: Bei der erwähnten Technik wird der LED-Chip direkt auf einen mit Elektroden versehenen Submount aufgebracht, darüber die Phosphorschicht aufgetragen und die Linse befestigt. Keine Bondingdrähte reduzieren mehr die Leistungsfähigkeit der Hi-Power-LED.

Neben einer verbesserten thermischen Stabilität und einer deutlich höheren Lebensdauer überzeugt die Micro-08 Hi-Power-LED zudem mit ihrer Farb- und Leistungstreue über die gesamte Lebensdauer. In nahezu allen Anwendungen kann die LED aufgrund ihres Preises mehrere Low- oder Mid-Power-LEDs ersetzen. Eingespart werden vielfältige Systemkosten hinsichtlich der Verwendung einfacherer PCBs und viel kleinerer Kühlkörper.

Weitere Kostenreduzierungen ergeben sich durch deutlich weniger zu bestückende LEDs, geringerer Kontrollaufwand, weniger Fehlerquellen sowie reduzierte Handlings- und Administrationskosten. Mit fünf Leuchtflächen, eine oben und die vier Seitenflächen, ermöglicht die Optik der Hi-Power-LED eine einfache Realisierung von 3-D-Light-Boards und omnidirektionalen Lampendesigns. Von Vorteil sind hier der breite Standard-Arbeitstemperaturbereich von -40 bis 85 °C und der Standard CCT (Correlated Color Temperature) von 2700 bis zu einem Wert von 6500 K.

Die Kosten senken mit den EOB-Modulen

Zudem ist es mit der LED leichter möglich, miniaturisierter High-Power-COB- (Chip On Board-)Module in vielfältigen Verwendungsformen zu entwickeln. Mit EOB- (Emitter-on-Board-)Modulen auf Basis der SYXEM Micro-08 Hi-Power-LED steht eine besondere Light-Engine in unterschiedlichen Abmessungen und Leuchtstärken zur Verfügung, die sich durch geringe Größe ohne Multischatteneffekte auszeichnet.

Die EOB-Module bieten den gleichen Lichtbereich wie herkömmliche COB-Modelle und sind kompatibel zu deren Reflektoren und Zubehör. Im Vergleich zu entsprechenden COBs sind sie sogar günstiger, da in der Fertigung weniger Ausfälle zu verzeichnen sind. So sorgt die anfällige Oberfläche von COBs für viele Ausfälle während des Handhabungsprozesses während der Montage.

Mit den EOB-Modulen lassen sich günstige LED-Leuchten bauen, da die Kosten aufgrund der drahtfreien Flip-Chip-Technik und der Silikon-Anpassung gesenkt werden können. Mit der vorgestellten LED lassen sich Strahler, Einbauleuchten, Downlights, Anbau- und Pendelleuchten, Steh- und Wandleuchten, Lichtbandsysteme, Einzellichtleisten oder auch Straßenleuchten entwickeln. Ein weiterer Vorteil der EOB-Module besteht darin, dass die Syxem EOB-Light-Engines mit einer Farbeinheitlichkeit und Konsistenz von 2 bis 4 MacAdam-Ellipsen punkten, da jeder Micro-08 Emitter präziser ist, als die Standard-Binnigs.

Für den Einsatz in den aktuellen PICO-Lampensystemen sprechen Wirkungsgrade von über 95 lm/W bei einem Strom von 350 mA und eine Lichtleistung von bis zu 132 lm. Möglich sind auch medizinische Diagnostikgeräte wie Otoskopen und Untersuchungsleuchten. Ermöglicht wird das aufgrund eines CRI (Colour Rendering Index) von über 95 und einem R9-Wert von über 80.

* Stefan Kerscher arbeitet als Product Manager bei Contoc Components in Landsberg.

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