Keramik sorgt für kühle LED in neuem Design

Ästhetik auf kalten Wegen

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Ihren Erfolg begrenzen LED durch ihre geringe Wärmetoleranz selber. Entwicklungen zielen meist auf optimierte Kühlkörper und selten auf die Schichten zwischen diesem und der LED. Neue Konzepte und andere Materialien bieten bemerkenswertes Optimierungspotenzial, Vereinfachung und hohe Zuverlässigkeit: Keramik als Kühlkörper, Baugruppenträger und sichtbares Designelement braucht aber Mut für Neues. Eine Simulationsmethode unterstützt die thermische Optimierung und das technische Produktdesign.

LED mögen es kühl. Nicht zuletzt durch Nutzung von Halbleitertechnologie tolerieren sie maximal rund 100 °C. Nur ein geringes Temperaturgefälle zwischen 100 °C im Hotspot und 25 °C Umgebungstemperatur steht zur Verfügung, um Wärmeenergie abzugeben. Große Oberflächen und exzellentes Thermomanagement werden also benötigt. Letzteres kann grob in drei Gruppen unterteilt werden.

Die erste Gruppe ist die LED selber, welche als nicht veränderbare Katalogware betrachtet wird. Thermisch gesehen ist es ideal, den LED-Chip direkt auf den Kühlkörper zu bonden.
Gruppe 2 ist der Kühlkörper, welcher Energie von der Wärmequelle zur Wärmesenke (Umgebung/Luft) abführt. Je ansprechender das verwendete Material ist, um so geringer ist die Notwendigkeit es zu kaschieren und um so effizienter arbeitet die Kühlung. Einzelne Hersteller nutzen bereits Werkstoffe, welche gezielt sichtbar und Design bestimmend eingesetzt werden.
Gruppe 3 verbindet die genannten Blöcke mechanisch, isoliert elektrisch und dient dem Wärmetransfer. Leider sind insbesondere gute elektrische Isolation und gute Wärmeleitfähigkeit schwierig vereinbar. Es entstehen „Sandwiches“ verschiedener Materialien mit unterschiedlichen TCEs, was Risiken wie Delaminierung und Degradation mit sich bringt. Vor allem ist jede Schicht eine zusätzliche Hürde für die ideale Wärmeableitung. Meist wird die LED auf ein PCB gelötet und auf den metallischen Kühlkörper geklebt. Die ursprüngliche Funktion des PCBs (Schaltungsaufnahme) kann so beibehalten werden.
Vergleichbarkeit von Systemen
Bei der Betrachtung thermischer Widerstände wird oft der Einfluss der Schichten (Gruppe 3) vernachlässigt. Addiert man alle thermischen Widerstände vom LED-Heatslug bis zur Umgebung entsteht der thermische Gesamtwiderstand Rtt. Er erlaubt den korrekten Vergleich von Thermomanagementlösungen zur ersten Effizienz-Einschätzung. Der Rtt gibt den thermischen Gesamtwiderstand vom LED-Heatslug zur Umgebung an. Der aussagekräftige Wert erleichtert den Vergleich von Kühlsystemen und ihrer Effizienz.
Für eine nennenswerte Performance-Erhöhung muss Gruppe 3 verbessert werden oder entfallen. Andere Materialien sind notwendig. So vereint Keramik wie Rubalit (Al2O3) oder Alunit (AlN), gute elektrische Isolation und Wärmeleitfähigkeit. Sie ist per se elektrisch isolierend. Diese Eigenschaften nutzt das Produkt „Ceramcool“.
Ceramcool ist eine effektive Kombination von Platine und keramischem Kühlkörper zur sicheren Entwärmung thermisch sensibler Komponenten und Schaltungen. Im Vergleich zu herkömmlichen Systemen mit meist zahlreichen Schichten (Kleber, Isolationsmaterialien) und unterschiedlichsten thermischen Ausdehnungskoeffizienten wird der Aufbau reduziert, die Bauform verkleinert und die Wärmeableitung messbar verbessert. Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit des Systems steigen. Keramik erlaubt das Bedrucken mit individuellen Leiterbahnenlayouts. Damit wird Ceramcool auch dreidimensional zum Baugruppenträger und kann wie eine herkömmliche Platine bestückt werden. Komponenten können direkt und dauerhaft mit dem Kühlkörper verbunden werden, beispielsweise indem LED-Heatslugs auf Metallisierungspads der Keramik gelötet werden.
Validierung und Proof of Concept
Zur Überprüfung der Aussagen wurden in mehreren Simulationsmodellen Gegenproben durchgeführt. Um das thermische Verhalten unterschiedlicher Designs vorherzusagen, wurde eine Computational Fluid Dynamics nutzende Simulationsmethode entwickelt. Ein Kühlkörper wurde für die 4W-Entwärmung optimiert und diente als Vergleichsbasis. Die quadratische Geometrie (38 mm x 38 mm x 24 mm) erlaubt bei Ceramcool den Betrieb einer 4 W-LED mit einer Maximaltemperatur unter 60 °C. Die Simulationsergebnisse wurden mit Messungen validiert. Die identische Geometrie aus Aluminium mit einer 4 W-LED auf einem PCB zeigt signifikant höhere Werte. Abhängig von der thermischen PCB-Leitfähigkeit ( λ = 4 bis 1,5 W/mK) nimmt die Temperatur um 6 bis 28 K zu.
Schon 6 K weniger entlasten die kritische Komponente deutlich. Der thermische Gesamtwiderstand des keramischen Rubalit-Aufbaus ist mindestens 13 % besser als bei Aluminium; Alunit erzielt sogar eine Verbesserung über 31 %. Bezieht man sich auf einen Temperaturabfall von 28 K, werden die Ergebnisse noch weit übertroffen.
Flexibilität des Konzepts
Konzept und Optimierungsziele sind flexibel: Die LED kann mit ihrer Optimaltemperatur arbeiten – was ihre Lebensdauer schützt – oder sie wird „schärfer” betrieben, produziert mehr lm/W, höhere Temperaturen und fällt früher aus. Eine Bandbreite von 50° bis 110 °C ist üblich. Für höhere Lichtleistung kann der 4 W-Kühlkörper auch mit 5- oder 6 W-LED betrieben werden. Die Aufteilung in mehrere 1 W-LED verbessert die Wärmeverteilung. Das Ergebnis ist 65 °C mit 5 W und 70 °C mit 6 W.
Durch die direkte und dauerhafte intermetallische Verbindung zum elektrisch isolierenden Ceramcool nimmt der keramische Kühlkörper mehr Wärme auf und wird heißer. Er entlastet die LED und tut genau das, wofür er bestimmt ist: Kühlen. Seine Bauform kann verkleinert werden.
Kühlmedium 1,5 mm vor der Wärmequelle
Bei hohen Leistungsdichten stößt Luftkühlung an ihre Grenzen, Flüssigkühlung ist notwendig. Keramik ist inert und beständig gegen Salz, Säure und Lauge. Elektrokorrosion tritt nicht auf. Kühlmittel, egal ob demineralisiertes oder mineralisiertes Wasser, sind problemlos einsetzbar. Das Konzept der Flüssigkühlung folgt dem gleichen Prinzip: Möglichst kurze Wege zwischen Wärmequelle und -senke. Hier ist Keramik unschlagbar: Die Kühlflüssigkeit ist nur 1,5 mm vom Hotspot entfernt.
Da die meisten Ceramcool-Anwendungen kundenspezifische Details aufweisen ist es wichtig, die Performance neuer Lösungen zu überprüfen, bevor Prototypen gebaut werden. Mithilfe intensiver Untersuchungen wurde ein Simulationsmodell entwickelt und dessen Ergebnisse mit verschiedenen physischen Tests verglichen. Die Korrelation ist zuverlässig. Auf diesem Wissen aufbauend können neue Konzepte einfach und schnell evaluiert werden.
Keramik pur als Designelement
Sockel und Reflektor eines LED GU10-Spots bestehen meist aus verschiedenen Werkstoffen. Vereinfacht und zuverlässig ist der vollkeramische Ceramcool. Bei ihm wird das Substrat zum Kühlkörper. Die Verbindung zum Die ist intermetallisch, das Thermomanagement deutlich verbessert. In der GU10-Version beträgt die Maximaltemperatur bei einer 4 W-LED maximal 60 °C. Die kontrollierte Wärmeableitung erhöht Lebensdauer und Lichtleistung. Der Ceramcool reduziert den Materialmix mit allen Vorteilen von Keramik: Elektrische Isolation und hohe mechanische und chemische Stabilität. Die durchgängig eingesetzte Keramik und der wunderschöne indirekte Lichtanteil im Keramikreflektor vermitteln eine hohe Wertigkeit.
Ceramtec; Telefon: 09231 69453; E-Mail: R.Herrmann@ceramtec.de
Altair; Telefon: 07031 6208188; E-Mail: armin.veitl@altair.de

Ceramcool im Cadillac

Der Licht- und Elektronikspezialist Hella startet diesen Sommer die Serienproduktion des ersten Voll-LED-Scheinwerfers. Er wurde für den Cadillac Escalade Platinum entwickelt. Er ist das Sports UtiIity Vehicle (SUV), das mit dieser zukunftsweisenden Lichttechnik ausgerüstet wird. Die leistungsstarken Mehrchip-LED werden von einem speziell entwickelten keramischen Rahmen, dem Ceramcool, getragen. Er wird von der Ceramtec AG, Geschäftsbereich Elektronik, in Marktredwitz produziert. Der partiell lichtdurchlässige Rahmen wird im Trockenpressverfahren hergestellt und anschließend metallisch beschichtet. Dabei machten die hohen Kundenanforderungen den Aufbau eines besonderen Verfahrens notwendig. Entscheidend sind insbesondere die Einhaltung geringster Toleranzen sowie eine absolut fehlerfreie Metallisierung. Jeder Scheinwerfer ist mit 7 LED und folglich mit dem keramischen Ceramcool ausgestattet. Die LED-Lösung ist besonders robust und arbeitet sicher in einem Temperaturbereich von -40° bis + 125 °C. Bild: Hella
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