Farbtemperatur und Wärme bei LED-Baugruppen managen

Während LEDs für den Verbraucher in der Regel unkompliziert in der Nutzung sind, stehen die Hersteller vor zwei Herausforderungen. Zum einen bringt die Schutzbeschichtung von Lumineszenzkonversions-LEDs, die für einen zuverlässigen Einsatz aufgebracht wird, eine unerwünschte Verschiebung von der ursprünglichen Farbtemperatur zu kaltweißem, bläulich wirkendem Licht mit sich, die sogenannte Kaltlichtverschiebung. Zum anderen muss die Betriebswärme, die speziell bei High-Power-LEDs durchaus beträchtlich sein kann, abgeführt werden, um die Strahlungsleistung zu erhalten und den Lebenszyklus zu verlängern.

Farbtemperaturmanagement von LEDs

Die Farbtemperatur (CCT – Correlated Colour Temperature) von weißen LEDs wird durch Lumineszenzfarbstoffe erzielt, die Teile des kurzwelligen blauen Lichts in langwelligeres gelbes Licht umwandeln, sodass sich durch additive Farbmischung weißes Licht ergibt. Bei einem Verguss wird die Farbtemperatur durch einen physikalischen Einfluss an der Grenzfläche Konversionsschicht / Verguss in den kurzwelligen blauen Bereich verschoben und wirkt dadurch kälter (Abbildung 1 Mitte: CCT Shift, vergossen). Der gewünschte warme Anteil des Lichts, der durch den gelben Anteil hervorgerufen wird, verringert sich.

Bei schlechter / unregelmäßiger Haftung kann dieser Effekt unterschiedlich stark ausgeprägt sein, sodass es zu unterschiedlichen Farbtemperaturen kommt. Um sowohl eine einheitliche Farbtemperatur als auch eine zuverlässige Schutzwirkung zu erzielen, ist eine gleichmäßige und gute Haftung des Vergusses notwendig.

Mit Jetset Solution von Lackwerke Peters steht jetzt für das Phänomen der Kaltlichtverschiebung eine Lösung zur Verfügung: Der Nanoprimer NP 4 LED wird vor dem Verguss gleichmäßig und reproduzierbar in sehr dünner Schicht auf die LEDs appliziert. Durch das vollständige Verdunsten des enthaltenen Lösemittels legt sich ein feiner Film auf die LEDs. Beim nachfolgenden Verguss mit einer kristallklaren Elpecast Vergussmasse wird auf diese Weise die Verschiebung der Farbtemperatur der LEDs verhindert und durch eine gezielte Optimierung der Haftung gleichmäßig gestaltet.

Die Lösung liegt darin, dass ein wiederholter Durchgang des Lichts durch die Konversionsschicht erzielt wird und dadurch blaue in gelbe Lichtanteile konvertiert werden. Abhängig von der Auftragsmenge des Primers lässt sich auch eine gewünschte Farbtemperatur gezielt ansteuern. Die Auftragsmenge hängt unter anderem von den verwendeten Lumineszenz-Farbstoffen in der Konversionsschicht sowie von der Geometrie, der Fläche, der Leistung und der Ausgangsfarbtemperatur der LEDs ab.

Thermisches Management von LEDs

Die Elpecast Thermal Interface Paste TIP 2792 auf Silikonharzbasis wird als Thermal Interface Material (TIM) zwischen Leiterplatte und Kühlkörper oder wärmeableitenden Gehäusen eingesetzt. Aufgrund der Elastizität wird eine zuverlässige thermische Anbindung erzielt, der Wärmeübergang und die Wärmeableitung verbessert und die Betriebswärme effektiv abgesenkt. Wärmeleitbohrungen können mit der Paste sicher gefüllt und somit die Wärmekontaktfläche vergrößert werden.

Die weiße lötbeständige 1-Komponenten-Paste zeichnet sich durch gute elektrische Isoliereigenschaften aus. Sie kann im Siebdruck in variablen Strukturen und Schichtdicken appliziert werden und ist somit kostengünstiger einzusetzen als Wärmeleitfolien, die für den jeweiligen Einsatzbereich zugeschnitten werden müssen.

Die Beschichtung und Aushärtung erfolgt beim Leiterplattenhersteller vor dem Lötprozess auf der unbestückten Leiterplatte selektiv im gewünschten Layout. So hat der Endverbraucher den Vorteil, dass er die Leiterplatten bereits zusammen mit der TIP erhält. Alternativ kann durch den Einsatz von Heatsink-Pasten auf den Einsatz von wärmeleitenden Metallblechen komplett verzichtet und so Anzahl und Größe der Wärmeübergangswiderstände reduziert werden. Es handelt sich um sehr wärmeleitfähige elektrisch isolierende 1-Komponenten-Siebdrucklacke auf Epoxidharzbasis, die eine zuverlässige Alternative zu den derzeit gebräuchlichen Kühlkörpern darstellen.

Die Heatsink-Pasten können direkt in Wärmeleitbohrungen sowie auf die Metallflächen der Leiterplatte gedruckt werden. Durch den Wegfall der isolierenden Kleberschicht werden vergleichbare Ergebnisse wie beim Einsatz von Metallfolien erzielt. Die beiden Wärmeleitpasten TIP 2792 und HSP 2740 können auch kombiniert eingesetzt werden, wenn besonders hohe Isolationseigenschaften erforderlich sind. Hierbei wird die Heatsink-Paste HSP 2740 in die Wärmeleitbohrungen und flächig auf die Leiterplatte gedruckt. Anschließend wird die Thermal Interface Paste TIP 2792 on Top gedruckt, um eine gute Anbindung an den Kühlkörper zu gewährleisten.

Elektrische Leistungsausfälle reduzieren

Dank der höheren Wärmespreitung, die durch die kombinierte Anwendung von TIP 2792 und HSP 2740 auf der Unterseite der Leiterplatte ermöglicht wird, wurde nicht nur eine bessere Funktionsfähigkeit erreicht, sondern auch eine längere Lebensdauer der einzelnen Komponenten.

Thermisches Management für eine höhere Strahlungsleistung von LEDs und längere Lebensdauer von Baugruppen und Hochstromgeräten lässt sich durch die effektive Absenkung der Betriebswärme mit der Thermal Interface Paste TIP 2792, gegebenenfalls kombiniert mit der Heatsink-Paste HSP 2740, einfach umsetzen. Gleichzeitig können elektrische Leistungsausfälle reduziert und höhere Lumen/Watt-Leistungen erzielt werden. Durch den Einsatz von Jetset Solution und Wärmeleitpasten wird die Produktion und das Management von LEDs hinsichtlich ihrer Farbtemperatur und Wärmeentwicklung vereinfacht.

(hw)