Thermische Anforderungen von LED-Leuchten

LEDs heizen die Umgebung nicht auf, wollen aber auch selbst in kühler Umgebung leuchten.Osram Opto Semi

Herkömmliche Leuchtmittel wie Glüh- oder Halogenlampen spenden neben angenehmem Licht immer auch Wärme – und die ist meist unerwünscht. Es ist wichtig darauf zu achten, dass die teilweise hohen Temperaturen sich nicht negativ auf die Umgebung auswirken. Unter konventioneller Beleuchtung können zum Beispiel Lippenstifte schmelzen, Lebensmittel schneller verderben und wertvolle Bilder ihren Glanz verlieren. Mit LED-Beleuchtung bleiben die Temperaturen auf niedrigem Niveau, denn LED enthalten keinen Infrarotstrahlungsanteil. So entsteht auch keine Wärme am beleuchteten Objekt und der Lippenstift bleibt in Form (Bild 1).

Bild 1: LEDs eignen sich wunderbar, um wärmeempfindliche Objekte farbecht auszuleuchten. Doch auch die LED will es kühl haben.Osram Opto Semi

Im Gegensatz zu konventionellen Leuchtmitteln verlangen LEDs jedoch selbst nach möglichst kühlen Betriebstemperaturen. Dann erreichen sie bei hoher Lichtausbeute eine lange Lebensdauer. Entscheidend dafür ist die Temperatur am pn-Übergang der verwendeten Chips. Sie beeinflusst unter anderem die Flussspannung, die Wellenlänge und schließlich auch die Alterung, das heißt den Rückgang der Leuchtkraft der LED über die Betriebszeit.

Warmes Halbleiterlicht bei kühlen Betriebstemperaturen

Der Glühfaden einer Glühlampe erhitzt sich auf 2700 K. Dies entspricht der Farbtemperatur, der wir das angenehme, warme Licht verdanken. Die Wärme bleibt jedoch nicht auf den Glühfaden beschränkt, sondern ist auch in der Umgebung der Glühlampe spürbar, schließlich gilt diese Lichtquelle als Wärmestrahler. Eine LED als Halbleiterlichtquelle erfordert eine Betriebstemperatur deutlich unter 450 K (177 °C), wenn sie eine hohe Lichtausbeute und eine lange Lebensdauer erreichen soll. Warmes, glühlampenähnliches Licht mit 2700 K Farbtemperatur kann sie trotzdem erzeugen.

Für den effizienten Betrieb der Halbleiterlichtquelle über die gesamte Lebensdauer müssen die Temperaturabhängigkeiten sowie die Wärmeübertragung an das System und an die Umgebung berücksichtigt werden. Für viele Eigenschaften von LEDs ist die Temperatur am pn-Übergang der verwendeten Chips entscheidend. Man bezeichnet diese Temperatur als T_j (T junction).

Als Halbleiterbauelemente haben LEDs verschiedene temperaturabhängige Parameter, wie die Flussspannung oder die Wellenlänge. Die Flussspannung Uf sinkt bei konstantem Strom mit steigender Temperatur. Bei der Auslegung des Treibers muss diese Abhängigkeit beachtet werden, denn er soll schließlich bei allen Betriebstemperaturen, die unter realen Bedingungen auftreten können, fehlerfrei arbeiten. Bei einer Reihenschaltung von 32 weißen LEDs und 100 V Nennspannung gibt es beispielsweise bei einer Änderung der Junction-Temperatur von T_j = -10 °C nach T_j = +100 °C eine Reduzierung der Spannung von etwa 12 V. Das muss berücksichtigt werden.

Störende Wärme

Über die Bandlücke ist die Emissionswellenlänge physikalisch mit der Flussspannung verbunden. Die geringere Flussspannung bei hohen Temperaturen ist teilweise durch einen geringeren Energiehub am pn-Übergang bedingt. Dieser geringe Energiehub führt zu einer längeren Wellenlänge. Das heißt: Mit steigender Temperatur wird die Wellenlänge höher. Dann verschieben sich die einzelnen Farben: Blau in Richtung Cyan, Gelb über Orange in Richtung Rot. Speziell bei LEDs in Gelb und Orange wird dieser Effekt schnell sichtbar.

Bei der thermischen Auslegung einer LED-Leuchte muss der Entwickler daher sicherstellen, dass alle LEDs einer Anordnung die gleiche Betriebstemperatur aufweisen, sonst könnten Farbunterschiede sichtbar werden. Erreichen lässt sich dies durch ein gleichmäßiges thermisches Design. Außerdem ist schon bei der Auswahl der LEDs darauf zu achten, dass diese aus einem Wellenlängen-Bin stammen, damit sie bei der zugelassenen Betriebstemperatur den gewünschten Farbeindruck erreichen. Dies gilt vor allem für gelbe und orange LEDs. In diesen Bins sortieren die Hersteller ihre LEDs in engen Wellenlängengrenzen. Nur so erzielen Anwender exakt den gewünschten Farbort und die gewünschte Helligkeit.

Bild 2: Ob und wie sich der Farbort des weißen Lichts mit der Betriebstemperatur verschiebt, hängt vom LED-Typ und dem verwendeten Phosphor ab.Osram Opto Semi

Setzt man weiße LEDs in der Anwendung ein, ist zusätzlich zu berücksichtigen, dass verschiedene LED-Typen mit verschiedenen Phosphoren unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten aufweisen können. Innerhalb eines Typs wird jedoch immer der gleiche Phosphor verwendet. Dieser setzt einen Teil des blauen Lichts in grünes, gelbes und rotes Licht um. Zusammen mit dem verbleibenden blauen Anteil entsteht aus der Farbmischung weißes Licht. Ob und wie sich der Farbort des weißen Lichts verschiebt, hängt vom LED-Typ ab (Bild 2). Um Überraschungen zu vermeiden, sollte bei der Auswahl des LED-Binnings sichergestellt werden, dass sich der Farbort bei Betriebstemperatur genau an der gewünschten Stelle des Farbdreiecks befindet. Auch unterschiedliche Typen oder Produkte von verschiedenen Herstellern sollten daher nicht gemischt werden.

Lichtausbeute und Lebensdauer

Bild 3: Qualitativ hochwertige LEDs erreichen bei einer Junction-Temperatur von Tj = 100 °C eine Lebensdauer von mehr als 50.000 Stunden. Damit übertreffen sie herkömmliche Lichtquellen deutlich.Osram Opto Semi

Temperaturen haben auch einen starken Einfluss auf Lichtausbeute und Lebensdauer von LEDs: Die Lichtausbeute nimmt bei steigender Temperatur ab und die Lebensdauer der Lichtquellen sinkt. LEDs halten umso länger durch, je kühler die Betriebstemperatur ist. Dabei fällt eine LED nicht plötzlich aus wie eine Glühlampe – sie verliert allmählich an Leuchtkraft. Dieser Vorgang heißt auch Degradation. Beträgt die Leuchtkraft nur noch 70 % des Anfangswertes ist die Lichtquelle nach derzeitiger Definition am Ende ihrer Lebensdauer angekommen. Qualitativ hochwertige LEDs erreichen bei einer Junction-Temperatur von T_j = 100 °C jedoch eine Lebensdauer von mehr als 50.000 Stunden und übertreffen herkömmliche Lichtquellen damit deutlich (Bild 3).

Bild 4: Welche Betriebstemperatur für eine Anwendung zugelassen werden kann, ergibt sich im Wesentlichen aus den Anforderungen an die Effizienz sowie an die geforderte Einsatzzeit und damit an die Lebensdauer.Osram Opto Semi

Welche Betriebstemperatur für eine Anwendung zugelassen werden kann, ergibt sich im Wesentlichen aus den Anforderungen an die Effizienz sowie an die geforderte Einsatzzeit und damit an die Lebensdauer der Leuchtdiode (Bild 4). Außerdem ist ihre Auswirkung auf den Farbort, die Farbtemperatur und die Treiberspannung zu berücksichtigen.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten die Betriebstemperatur von LEDs zu beeinflussen, wie das Beispiel einer 1-W-LED aus der Oslon-Serie zeigt. Betrachtet man den Wärmestrom, den die LED an die Umgebung abgibt, stellt sich heraus, dass die Wärme von der LED aus durch einen sehr kleinen Querschnitt fließt. Da der Wärmewiderstand umgekehrt proportional zur Fläche ist, durch die die Wärme fließt, ist es sinnvoll den Wärmefluss so gut wie möglich aufzuspreizen. Dies ist umso wichtiger, je schlechter die Wärmeleitfähigkeit der elektrischen Isolierung zwischen den Lötpads für die LED und dem Kühlkörper ist.

Eine gute Wärmespreizung lässt sich erreichen, indem man die Kupferbahnen für den Anschluss der LED möglichst breit auslegt – nicht nur am Wärmepad sondern auch an den Anoden- und Kathodenanschlüssen. Dies gilt für IMS-Platinen (IMS = Insulated Metal Substrat) und insbesondere für die weit verbreiteten FR4-Platinen sowie für Platinen aus ähnlichen Materialien.

IMS- und FR4-Platinen

Bild 5: Erreichbare thermische Widerstände bei unterschiedlichen Isolierungen.Osram Opto Semi

Bei IMS-Platinen trennt eine dünne Isolationsschicht (Dielektrikum) ein meist aus Aluminium bestehendes Trägerblech von den Kupferleiterbahnen der Schaltung. Im einfachsten Fall besteht diese Isolationsschicht aus Epoxidharz, das auch für FR4-Platinen verwendet wird. Das Harz hat eine Wärmeleitfähigkeit von ~0,25 W/mK. Bei 100 bis 150 µm Schichtdicke wird für den Wärmeübergangswiderstand zwischen der LED-Lötstelle (Solderpoint) und der Platinenrückseite lediglich ein thermischer Widerstand (Rth) von 10 bis 15 K/W erreicht. Hochwertige Dielektrika haben eine Wärmeleitfähigkeit von 1 W/mK bis zu 4 W/mK, selbst 10 W/mK werden in einigen Datenblättern angegeben. Hat eine 100 µm dicke Isolationsschicht eine Wärmeleitfähigkeit von 2 W/mK, kann die Platine einen thermischen Widerstand von 6 K/W erreichen, mit 35 µm dicker Isolationsschicht mit einer Wärmeleitfähigkeit von 4 W/mK sind sogar nur 2,5 K/W möglich (Bild 5). Als optimierte Variante gibt es IMS-Platinen bei denen das Metall der Metallplatte durch die Isolationsschicht herausragt und der Wärmeleitpad direkt metallisch angebunden ist. Damit sind thermische Widerstände von weniger als 2 K/W erreichbar.

Bei FR4-Platinen ist nahezu die gesamte Platinendicke die isolierende Schicht. Hier ist eine Wärmespreizung umso wichtiger. Neben einem optimierten Layout lassen sich auch dickere Kupferlagen verwenden. Üblich sind 35 µm und 70 µm, auch 105 µm zählen noch zum Standard. Damit lassen sich allerdings nur thermische Widerstände zwischen 30 und 40 K/W erzielen. In vielen Fällen wird das nicht ausreichen.

Wärmeleitfähigkeit verbessern

Als erste Verbesserungsmaßnahme gilt der Einsatz von Thermal Vias. Diese kupferbeschichteten Durchgangslöcher stellen normalerweise die elektrische Verbindung zwischen Ober- und Unterlage her. Hier nutzt man sie für die Wärmeleitung. Da ein Via allein jedoch noch nicht sehr viel Wärme leiten kann, werden mehrere Vias eng aneinander platziert. Da die thermische Querleitfähigkeit der Kupferlage begrenzt ist, sollten die Vias außerdem möglichst nahe an der LED angeordnet werden. Weit entfernte Löcher haben meist keine Wirkung.

Bild 6: Einfluss der verschiedenen Via-Varianten auf die Kühlung der LED.Osram Opto Semi

Besondere Beachtung verdient in diesem Fall die elektrische Isolation. Verbindet man die Vias nur mit den isolierten Wärmeleitpads der LED, ist keine zusätzliche elektrische Isolierung zum Kühlkörper notwendig. Allerdings müssen die entsprechenden Richtlinien für die elektrische Sicherheit eingehalten werden. Bei netzbetriebenen Anwendungen ist auf eine ausreichende Isolierung zu achten. Ist eine elektrische Isolierung auf der Platinenrückseite vorhanden, können Durchgangslöcher auch in den stromführenden Leiterbahnen eingesetzt werden. Dies verbessert die thermische Performance nochmals. Welchen Effekt die verschiedenen Via-Varianten haben, zeigt Bild 6.

Vias können auch direkt unter dem Lötpad der LED die Wärmeleitfähigkeit verbessern. Hier ist es allerdings erforderlich, sie zusätzlich mit Epoxidkarz zu füllen und mit einer Kupferlage zu überziehen. Ohne diese beiden Maßnahmen würde das Lötzinn unkontrolliert in die Löcher fließen. Dies könnte wiederum zu Uneben­heiten auf der Rückseite führen, die dann eine thermische Anbindung an den Kühlkörper oder an das Gehäuse behindern. Darüber hinaus gibt es kupfergefüllte Vias. Sie sind thermisch nahezu ideal, aber recht schwer herzustellen.

Eine gute Möglichkeit die thermische Performance von FR4-Platinen zu verbessern, bietet der Einsatz von massiven Kupferprofilen in der FR4-Lage, die zum Beispiel von Häusermann angeboten wird. Damit ist es auch möglich, die elektrische Isolierung beizubehalten und dennoch gute Wärmeableitung zu erzielen. Häusermann ist ein neuer Partner des Osram-Netzwerks „LED Light for you“.

Als Luxusvariante und besonders wirkungsvoll gilt die Keramikplatine. Als Keramiken sind Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid üblich, wobei Aluminiumnitrid eine deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit hat. Da Keramik selbst elektrisch isolierend wirkt, kann man auf die thermisch schlecht leitende Isolationsschicht verzichten. So lassen sich sehr niedrige thermische Widerstände erreichen – etwa 3,5 K/W bei Aluminiumoxid und etwa 1 K/W bei Aluminiumnitrid (Bild 5). Keramik eignet sich vor allem auch für Anwendungen mit hoher thermischer Zykelbelastung, denn der Wärmeausdehnungskoeffizient passt mit dem der keramischen Träger der meisten 1-W-LED gut zusammen. Im Gegensatz dazu kann es bei Verwendung der oben beschriebenen Aluminium-IMS-Platinen durch die hohe thermische Ausdehnung von Aluminium nach hoher Zykelbelastung zu Lötstellenabrissen kommen.

Systemgedanke

Das thermische Design endet jedoch nicht auf der Rückseite der Platine. Die Kühlkörpertemperatur an dieser Stelle ist der Ausgangspunkt für die Dimensionierung der Platine. Für die Auslegung von Kühlkörpern, die bei LED-Beleuchtungsanwendungen im Idealfall gleichzeitig das Gehäuse sind, ist allerdings eine separate Betrachtung erforderlich. Denn auch hier müssen zahlreiche Faktoren berücksichtigt werden.

(lei)