Alle auf dem Markt verfügbaren Chip-Array-LEDs in SMD-Gehäusen bieten eine Leistung von mehr als 300 lm – einige können sogar mehr als 1400 lm bereitstellen. Aufgrund dieser hohen Lichtleistung sind Retrofits mit Leistungen entsprechend 25 bis 75 W und einem LED-Gehäuse realisierbar. Leuchtmittelhersteller wie Osram Opto Semiconductors haben ihre Produkte exakt auf die für direktionale und omnidirektionale Retrofits benötigten Lumenpakete zugeschnitten und gewährleisten gleichzeitig hinreichende Effizienz für die EU-Energieklasse A+. Übliche Formate haben Grundflächen von 5 × 5 mm2, 7 × 7 mm2 und sogar 9,5 × 9,5 mm2.

Bild 1: Eigenschaften verschiedener LED-Typen im Vergleich: CASs senken die System- und Montagekosten.

Bild 1: Eigenschaften verschiedener LED-Typen im Vergleich: CASs senken die System- und Montagekosten.Osram Opto Semiconductors

Einfache SMD-Montage

Wie bei Chip-on-Board-LEDs erzeugt bei CAS ein Array volumenemittierender (Saphir-) LED-Chips das Licht. Jedoch sind CAS-Chips nicht auf einem Board, sondern auf einem stark reflektierenden Leadframe-Material oder einem Keramiksubstrat montiert. Die Chips emittieren blaues Licht und sind in einem mit Phosphor gefüllten Silikonmaterial eingebettet, das weißes Licht erzeugt. So können Hersteller durch den einfachen Austausch des reflektierenden PCB-Materials gegen einen Leadframe eine problemlose SMD-Montage gewährleisten, ohne die Effizienz oder andere positive Eigenschaften der COB-LEDs einzubüßen (Bild 1).

Die erste Generation der CAS-LEDs ist für den Einsatz in Retrofits konzipiert, insbesondere für direktionale MR- und PAR-Lampen. Daher waren die Lumenpakete dieser ersten Produkte optimal darauf ausgerichtet, Halogenlampen mit 20 bis 50 W zu ersetzen, und kamen als einzelne Lichtquellen zum Einsatz, ohne Mehrfachspots oder -schatten. Folglich erfüllen sie den Wunsch vieler Kunden nach LED-Retrofit-Lampen, die fast genauso wie die zuvor benutzten Halogenlampen aussehen. Das war bis dahin nur mit COB-LEDs möglich. Diese sind allerdings per Hand zu löten oder in Halterungen einzusetzen, was die Fertigungskosten in die Höhe treibt.

Neue Optionen durch CAS-LEDs

Inzwischen haben erste Hersteller erkannt, dass sich dieser neue LED-Typus auch für höhere Wattagen eignet. So lassen sich auch omnidirektionale Retrofits mit nur einer LED umsetzen, was wiederum die Komplexität und damit die Fertigungskosten reduziert.

Die Verwendung von Steckverbindungen und sogar Treiberkomponenten auf dem PCB kann darüber hinaus den Weg für die komplette Automatisierung der Retrofit-Produktion ebnen. Die gleichen Vorteile gelten natürlich auch für Leuchten: Mit Chip-Array-SMD-LEDs lässt sich eine große Vielfalt von Leuchten einschließlich Downlights, Tracklights und Spotlights ohne Kompromisse bei der Optik entwickeln.

Bild 2: Beim 10-W-Produkt Duris S 10 ist der thermische Widerstand des Gehäuses sogar besser als der von COB-Produkten.

Bild 2: Beim 10-W-Produkt Duris S 10 ist der thermische Widerstand des Gehäuses sogar besser als der von COB-Produkten. Osram Opto Semiconductors

Thermik, Optik und Farbkonsistenz

Bei der Gestaltung mit CAS-LEDs gibt es einige Aspekte zu berücksichtigen. So liegt bedingt durch den höheren Lichtstrom die thermische Last, die auf das Gehäuse wirkt, im Bereich mehrerer Watt. Daher sind zunächst einmal die thermischen Eigenschaften dieser Produkte näher zu betrachten: Die meisten CAS-LEDs sind leadframebasierend, die LED-Chips sind somit direkt auf den kupferbasierenden Leiterrahmen montiert. Der thermische Widerstand des Gehäuses selbst (von der Verbindungsstelle zur Lötstelle) ist exzellent und sogar besser als der von COB-Produkten, beispielsweise 1,2 K/W für eine LED mit 10 W (Bild 2).

Dennoch muss die Wärme nach wie vor das Dielektrikum überwinden, da sie sich im Gegensatz zu COB-Produkten nicht im Metallkern der Platine befindet. Daher ist für das Dielektrikum ein zusätzlicher thermischer Widerstand zu berücksichtigen. Natürlich hängt dieser von dem für das PCB verwendeten Material ab. Für eine durchschnittliche Metallkernplatine liegt dieser Wert bei ungefähr 1,3 K/W, was den thermischen Gesamtwiderstand im Vergleich zu einem COB ein wenig erhöht.

Bild 3: Thermische Simulation für ein Duris-S10-CAS-Produkt auf einem Kühlkörper. Die typische Sperrschichttemperatur liegt um 2 K höher als bei COBs.

Bild 3: Thermische Simulation für ein Duris-S10-CAS-Produkt auf einem Kühlkörper. Die typische Sperrschichttemperatur liegt um 2 K höher als bei COBs.Osram Opto Semiconductors

Sorgfältiges Farb-Binning und zusätzlicher Widerstand

Durch die Verwendung des richtigen PCB-Designs sollte allerdings keine zusätzliche elektrische Isolierung vom Leuchtengehäuse notwendig sein. Große Luft-und Kriechstrecken können für eine Durchschlagfestigkeit von mehreren Tausend Volt sorgen, wie es die Zertifizierung gemäß IEC 61347 oder UL 1310 erfordert. Für das zuvor genannte 10-W-Produkt haben thermische Simulationen einen Anstieg der typischen Sperrschichttemperatur von 29 K gegen den Kühlkörper gezeigt, verglichen mit 21 K für ein COB (Bild 3).

In Bezug auf die Optik und Farbe gibt es einige interessante Aspekte: Wie auch COB-LEDs wiesen Chip-Array-SMD-Gehäuse der ersten Generation eine runde, lichtemittierende Oberfläche (LES) auf, sodass es hinsichtlich des optischen Designs nur geringe Bedenken gab. Für ein 5050-Bauteil beträgt der typische Durchmesser 4,6 mm, und es emittiert 300 bis 500 lm. Indes sind die Gehäuse fertigungsbedingt rechteckig und es stellte sich heraus, dass die Lichtausbeute signifikant steigt, wenn die lichtemittierende Oberfläche ebenfalls rechteckig ist. Das Ergebnis ist eine Erhöhung des effektiven Durchmessers auf bis zu 5,7 mm. Das hört sich nach wenig an, hat aber Auswirkungen auf das optische Design. Im Vergleich zu COB-LEDs der gleichen Leistungsklasse ist der Durchmesser von CAS-LEDs mit 6 bis 10 mm nach wie vor relativ klein.

Ein weiterer Aspekt ist die Farbkonsistenz: Da die CAS häufig als einzige Lichtquelle in einem Endprodukt fungiert, muss das Farb-Binning sorgfältig durchgeführt werden, um unerwünschte Farbvariationen von Lampen zu vermeiden, die in der gleichen Installation montiert sind. Aufgrund der involvierten Fertigungsverfahren kann leider noch kein Hersteller eine Verteilung unter 3-Step-MacAdam erreichen, wie es für COBs Standard ist.

Epoxid-basierende Werkstoffe leben länger

Eines der Hauptbedenken bei den neuen Gehäuseklassen ist die ausreichende Robustheit. Da die meisten verfügbaren Ausführungen das relativ unedle Metallsilber auf dem Leadframe und Kunststoffe als Gehäusematerial verwenden, sind diese Bedenken berechtigt. Hier ein Überblick über die verschiedenen Materialien in CAS-Gehäusen:

Bild 4: LM-80-Daten (Lebensdauer) der ersten Generation der Osram Duris S8. Tests der zweiten Generation mit verbessertem Design erfolgen gegenwärtig.

Bild 4: LM-80-Daten (Lebensdauer) der ersten Generation der Osram Duris S8. Tests der zweiten Generation mit verbessertem Design erfolgen gegenwärtig.Osram Opto Semiconductors

  • Chips und Phosphor: Die volumenemittierenden Chips sowie die phosphorgefüllten Silikonmaterialien, die für die Lichtkonversion verantwortlich sind, entsprechen denen anderer LED-Typen.
  • Leadframe: Der Leadframe dient wie bei COBs als Spiegel zum Verbessern der Lichtauskopplung aus dem Package, muss deshalb exzellente Reflexionseigenschaften besitzen und sollte üblicherweise eine Silberbeschichtung haben. Das Auftreten korrosiver Gase, besonders Schwefelgase, beschleunigt den Alterungsprozess, der die Helligkeit reduziert. Beim Einsatz von COBs oder CAS-LEDs in korrosiven Umgebungen empfiehlt Osram deshalb eine wirksame Abschirmung gegen solche Substanzen.
  • Gehäuse: Die meisten Bedenken gegenüber Mid-Power-LEDs und damit auch CAS beziehen sich auf das Altern von Kunststoff bei hohen Temperaturen und Lichtleistungen. Tatsächlich war die Lebensdauer früherer Polyphtalamid-Gehäuse (PPA) dadurch stark eingeschränkt. Gutes Produktdesign kann jedoch die Belastung des Gehäusematerials durch blaues Licht einschränken, sodass selbst dieses Material eine lange Lebensdauer erreicht. Zudem lässt sich bei großen Gehäusen die dem Licht ausgesetzte Kunststoffoberfläche im Verhältnis zur Spiegel- oder Leadframe-Oberfläche reduzieren und damit die Gehäusealterung auf ein Minimum reduzieren. Mit der jüngsten Generation Epoxid-basierender Werkstoffe können die Gehäuse durchaus akzeptable Lebensdauern in standardisierten LM-80-Tests erreichen (Bild 4).

Das passende Design wählen

Die Wahl zwischen leadframe- und keramikbasierenden CAS-LEDs hängt vom Einsatzgebiet ab. Mit Keramiken ist der thermische Widerstand des Gehäuses größer als bei einem Leadframe aus Kupfer. Dennoch sind aufgrund der besseren Stabilität dieses Werkstoffes höhere Betriebstemperaturen möglich – allerdings auch auf Kosten der Lichtausbeute. Die Entscheidung für einen Werkstoff sollte deshalb basierend auf einem Systemvergleich getroffen werden, entsprechend der Endanwendung der Leuchte.

Bild 5: Test zum Erkennen von Lötstellenfehlern. Im Diagramm finden sich Datenpunkte für ein 3030-Aluminiumnitrid-Keramikgehäuse sowie Kalkulationen gemäß des Coffin-Manson-Modells für einen 30-minütigen Temperaturzyklus.

Bild 5: Test zum Erkennen von Lötstellenfehlern. Im Diagramm finden sich Datenpunkte für ein 3030-Aluminiumnitrid-Keramikgehäuse sowie Kalkulationen gemäß des Coffin-Manson-Modells für einen 30-minütigen Temperaturzyklus.Osram Opto Semiconductors

Bei Retrofit-Anwendungen in Privathaushalten müssen Lampen oder Leuchten einigen Ein-Aus-Zyklen pro Tag standhalten, dementsprechend ist die Temperaturzyklus-Stabilität hier wichtig. Da der Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen dem Leadframe aus Kupfer und dem Aluminiumkern des Boards minimal ist, empfiehlt sich der Einsatz leadframebasierender CAS-LEDs für Anwendungen, bei denen häufige und/oder hohe Temperaturzyklen zu erwarten sind. Die Belastung an den Lötstellen ist umso höher, je größer das Bauteil wird. Bild 5 zeigt als Funktion des Temperaturunterschieds, wie viele Zyklen stattfinden müssen, bis nachweisbare Fehler an den Lötstellen auftreten.

CAS-LEDs in Beleuchtungslösungen

Sowohl omnidirektionale als auch direktionale Retrofits können also von Chip-Array-SMD-LEDs profitieren. Bei Standard-A-Lampen oder Kerzenlampen etwa können CAS-LEDs jeweils mehrere Midpower-LEDs bei gleichbleibenden Kosten ersetzen. Dies ermöglicht den Einsatz von Kunststoffoptiken (virtuelle Glühfäden) in mehr Leistungsklassen als bisher.

Bild 6: Eine CAS-LED kann drei oder vier kleinere LEDs in einer MR16-Leuchte ersetzen und erzeugt keinen Mehrfachschatten-Effekt.

Bild 6: Eine CAS-LED kann drei oder vier kleinere LEDs in einer MR16-Leuchte ersetzen und erzeugt keinen Mehrfachschatten-Effekt.Osram Opto Semiconductors

In MR16-Retrofits sind CAS-LEDs eine kosteneffiziente Lösung für Lampen, die wie Halogenlampen aussehen, ohne dabei den berüchtigten Mehrfachschatten-Effekt zu erzeugen. Allerdings ist hier das Optikdesign eine Herausforderung. Gemäß den Grundregeln der Optik muss die Größe einer Linse an einer größeren Quelle proportional größer sein als bei einer kleineren Quelle. Da nur eine anstatt vier Linsen benötigt wird, kann der Durchmesser der Optik vergleichbar sein (Bild 6). Da die Linse höher ist, benötigt sie andererseits zusätzlichen wertvollen Platz in der MR16-Bauform.

Insgesamt ist die Anzahl an Chips in einer CAS ähnlich wie bei bestehenden Designs, sodass Durchlassspannung und Leistungsanforderungen vergleichbar mit bereits vorhandenen Treibern sind. Durch CAS-LEDs in verschiedenen Leistungsklassen sind alle typischen Retrofit-Lumenpakete einfach umsetzbar. Jedoch wird ein zusätzlicher Faktor bei Retrofit-Designs oftmals übersehen: In der Massenproduktion sind die Montagekosten ein bedeutender Bestandteil der Gesamtproduktionskosten, was für eine automatisierte Montage spricht. Heute werden Retrofits mehr und mehr mit SMD-montierten Steckverbindern auf dem LED-Board konstruiert. Dies führt zwar zu etwas höheren Materialkosten, resultiert aber auf Montageseite in beachtlichen Einsparungen.

Eckdaten

Trotz einiger weniger Nachteile wie dem zusätzlichen Wärmewiderstand oder größeren Farb-Binning überwiegen die Vorteile von CAS-LEDs (Chip-Arrays in SMD-Gehäusen) im Vergleich zu COBs (Chip-On-Board-Arrays). Neben der kleineren LES (Light Emitting Surface) und der deutlichen Kostenersparnis ist es vor allem die einfachere SMD-Montage im Vergleich zur Handmontage von COB-LEDs, die sich besonders in hochvolumigen Anwendungen bemerkbar macht.

CAS-LEDs in professionellen Downlights

Professionelle Downlights (6” bis 8”), häufig in Bürogebäuden und Ladengeschäften zu finden, basieren oft auf Chip-On-Board-LEDs, weil eine einzige Lichtquelle im Zentrum der Leuchte eine bessere Lichtkontrolle und die Optik einer Halogen- oder HID-Lampe bietet.

Helligkeitswerte von 2000 bis 3000 lm sind zwar nicht mit einer einzigen CAS-LED erreichbar. Ein Cluster aus CAS-LEDs kann jedoch die Systemkosten erheblich reduzieren. Die Größe eines 2×2-Array von 7070-LEDs ist kleiner als ein COB mit einer LES von 22 mm Durchmesser. Durch ein geeignetes PCB-Layout lässt sich der zuvor genutzte COB ganz einfach ohne weitere Veränderungen im Leuchtendesign ersetzen. Ähnliche Designs lassen sich mit 5050-CAS-LEDs oder COBs mit einer LES von 14,5 mm produzieren. Der Abstand zwischen den einzelnen LEDs ist so klein, dass es kaum Unterschiede zu echten COBs gibt, und die Lichtleistung ist sogar höher.

Die größten Vorteile ergeben sich, wenn die Platine für mehr als nur die Bereitstellung einer thermischen Schnittstelle dient. Thermosicherungen und Steuerungs- oder Treiberkomponenten können auf der LED-Platine verbaut werden. Montagelöcher lassen sich nach Bedarf platzieren und kostengünstige Einsteckanschlüsse direkt zusammen mit den LEDs montieren. Manuelles Löten oder umständliche Halterungen sind überflüssig.