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Eine Kingbright-LED mit dem typischen DIP-LED-Formfaktor. (Bild: Mouser)

Eckdaten

So hell unsere heutigen LEDs auch sind, die Zukunft wird noch heller. LEDs mit CoB-Technologie haben die Kosten moderner, energieeffizienter LED-Beleuchtung drastisch gesenkt. CoB-LEDs liefern durch die Integration vieler LEDs auf einem einzelnen Board eine leistungsstarke, einfach zu integrierende LED-Beleuchtung.

LEDs haben die moderne Beleuchtung revolutioniert. Noch vor wenigen Jahren waren Leuchtstoffröhren und Metalldampflampen in Büros und auf den Straßen oder als Hinterleuchtung unserer Computerbildschirme üblich. Heute wird unsere Welt fast ausschließlich von Festkörper-Emittern erleuchtet. Von Gebäuden über Straßen bis hin zu mobilen Handgeräten sind LEDs überall zu finden. Aus gutem Grund: Sie sind kühler, brauchen weniger Strom und sind oft heller als die althergebrachten Beleuchtungstechnologien, die sie ersetzen.

Ständige Verbesserungen

Doch auch heute noch wird die LED-Beleuchtungstechnologie ständig verbessert. Mit Entwicklungen wie Chip-on-Board (CoB) und Flip-Chip sind LEDs effektiver und halten länger. Mit Chip-Scale-Gehäusen (CSP) gehen Hersteller jetzt einen Schritt weiter. Indem sie LEDs während der Die-Produktionsphase einschalen, werden diese noch kleiner, verbrauchen weniger Ressourcen und haben einen besseren Wärmewirkungsgrad.

Um die Leistungsfähigkeit von CSP-LEDs zu verstehen, ist es wichtig, zu wissen, wie und warum LED-Gehäuse weiterentwickelt wurden. Die ersten LEDs aus den 1960ern wurden in Dual-in-line-Packages verpackt. Bestehend aus einem von Plastik umgebenen Emitter-Die, aus dem zwei lange Drähte hervorragen, werden diese einfachen optoelektronischen Bauelemente seit Jahrzehnten genutzt und vor allem wegen ihrer simplen Handhabung und Haltbarkeit eingesetzt, beispielsweise in Straßenschildern oder in DIY-Elektronik.

Da der DIP-Formfaktor jedoch sehr sperrig ist, musste sich etwas ändern. Oberflächenmontierbare Bauelemente (SMDs) haben die typischen langen Pins bedrahteter Bauteile wie DIP-LEDs abgelöst. Stattdessen werden SMD-LEDs direkt auf der Leiterplatte platziert und für die elektrische und thermische Verbindung verlötet. Diese Herangehensweise bietet weitreichende Vorteile. Da das sperrige, wärmedämmende Plastikgehäuse wegfällt, können SMD-LEDs im Vergleich zu DIP-LEDs Wärme viel besser ableiten. Durch diese verbesserten thermischen Eigenschaften lassen sich SMD-LEDs mit höheren Stromstärken betreiben (wodurch sie helleres Licht ausstrahlen) und trotzdem bleibt die Lebensdauer hoch. Wegen der langen Durchgangsdrähte sind DIP-LEDs mehrere Zentimeter lang. Moderne SMD-LEDs sind hingegen teilweise nur 1 mm2 groß. Aufgrund dieser Kompaktheit können LEDs in sehr beengte Räume eingebaut werden. Die Leistungsparameter lassen sich daher durch die Auswahl von Typ und Anzahl der genutzten SMD-LEDs anpassen.

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Bild 2: Philips CoB-LEDs vereinen zahlreiche LED-Dies in einem leicht integrierbaren Modul.

Philips CoB-LEDs vereinen zahlreiche LED-Dies in einem leicht integrierbaren Modul. Mouser

Was Größe, Bestückung und Wirkungsgrad betrifft, waren SMD-LEDs schon eine erhebliche Verbesserung zu DIP-LEDs. Allerdings ist ihre Installation in Leuchten ziemlich arbeitsintensiv, da sie einzeln verpackt sind und jede SMD-LED einzeln auf die Leiterlatte aufgebracht werden muss. Außerdem ist die Farbbeständigkeit einzelner SMD-LEDs in einer Leuchte schwierig. CoB-LEDs sind eine Weiterentwicklung, die genau diese Herausforderungen angehen. Statt einzeln verpackter SMD-LED-Bauteile, die nacheinander in eine Leiterplatte eingebaut werden müssen, sind bei CoB-LEDs zahlreiche LEDs in einem Gehäusemodul integriert, das sofort installiert und als eine Einheit betrieben werden kann.

In jeder CoB-LED sind zahlreiche kleine LED-Dies eingebaut – oft Dutzende oder sogar Hunderte. Diese Dies sind direkt mit dem Trägermaterial verbunden und üblicherweise mit einer Phosphorschicht überzogen. So entsteht eine einzelne Flächenlichtquelle statt den vielen Punktquellen der SMD-LEDs. Da die Dies auf einem CoB nach Farben ausgewählt sind (binning), ist auch die Lichtfarbe konsistenter als bei mehreren SMD-LEDs. Auch die Wärmeableitung ist besser, denn die Dies sind direkt auf dem Trägermaterial montiert und nicht durch zusätzliche Gehäuse getrennt. Trotzdem können CoB-LEDs eine starke Hitze erzeugen, da oft mehrere LEDs auf kleinem Raum betrieben werden. Je nach Applikation sind Kühlkörper erforderlich.

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Für eine maximale Beleuchtungsfläche und einen möglichst kleinen LED-Footprint kombiniert die Flip-Chip White von Lumileds Flip-Chip-Technologie mit CSP-Verpackung. Mouser

CoB-LEDs vereinfachen LED-Beleuchtungsdesign und -herstellung in hohem Grade, da nicht jede einzelne LED verlötet und über ein eigenes PCB angetrieben werden muss. Stattdessen wird die CoB-LED als ganzes Modul betrieben. Oft kann eine Leuchte allein mit CoB-LED, LED-Treiber, Kühlkörper, Gehäuse und Linse erstellt werden. Reflow-Öfen sowie spezielles Leiterplatten-Know-how sind nicht erforderlich. Das bedeutet, dass CoB-LEDs eine gleichmäßige Ausleuchtung mit hohem Wirkungsgrad zu geringeren Kosten ermöglichen, besonders bei Applikationen, die früher mehrere SMD-LEDs erforderten.

Die Flip-Chip-Gehäusetechnik

Eine weitere neue Gehäusetechnik, Flip-Chip, verbessert die thermische Effizienz und die von CoB-LEDs bekannte optische Leistung. In einer herkömmlichen CoB-LED ist der LED-Chip mit Epoxidharz am Träger befestigt, wobei die Elektroden oben sind. Diese Elektroden sind durch Drähte mit dem Träger verbunden. Beleuchtungsleistung und Wärmeabfuhr werden behindert, da die licht-ausstrahlende Seite nach unten zeigt und die elektrischen Verbindungen oben sind. Umgekehrt ist bei einer Flip-Chip-LED die Leuchtschicht so positioniert, dass sie die höchstmögliche Lichtausgabe erzeugt. Die Elektroden auf der Unterseite werden direkt an das Trägermaterial gelötet. Aus diesem Grund sind keine Drähte mehr nötigt (und es gibt keine Lichtschatten). Die fehlende Epoxidschicht verbessert die thermische Schnittstelle zum Träger, was eine erhöhte Wärmeabfuhr mit sich bringt.

Der Verzicht auf Epoxidharz oder Drahtbonding reduziert die Kosten, verbessert die Herstellungsverfahren (mit höherem Ertrag) und erhöht die Zuverlässigkeit der Flip-Chip-LEDs, da sie weniger Herstellungsschritte bedürfen und weniger Materialien benötigen. Außerdem sind die Endprodukte um einiges stoß- und vibrationsfester. Gleichzeitig sind die Flip-Chip-LEDs durch ihre verbesserte thermische Leistung noch effizienter als reguläre CoB-LEDs.

CSP-LEDs

Mit CSP-LEDs wird die Verpackung von LEDs noch weiter reduziert. Ursprünglich wurde ein LED-Die aus einem Wafer ausgeschnitten und in einem weiteren Schritt verpackt. Bei einer CSP-LED wird das Die vor dem Ausschneiden aus dem Wafer verpackt. Mit der Verpackung der LED auf Wafer-Stufe kann die fertige LED tatsächlich genauso groß sein wie das Die selbst. Verbindungen werden bei den Standard-Pitches erstellt, wie auch für andere SMD-Emitter. Die Reduzierung der LED-Größe ermöglicht niedrigere Herstellungskosten, bessere optische Performance und Wärmeleitfähigkeit sowie eine ingesamt kleinere LED.

Werden CSP-LEDs anstelle herkömmlicher SMD-LEDs genutzt, erzeugen diese für die gleiche PCB-Fläche einen viel größeren Ausleuchtungsbereich. Da das Licht von fünf Seiten statt nur von der Oberseite des Chips abgegeben wird, verbessert sich auch die Betriebsleistung. Außerdem wird die Wärmeleitfähigkeit dieser Bauteile aufgrund der kleineren Verpackung erhöht. Angesichts des geringeren Wärmewiderstands können CSP-LEDs mit höheren Stromstärken betrieben werden als andere LED-Formate, was die Beleuchtungs-Performance verbessert, ohne die Lebensdauer zu beeinträchtigen.

 

Mark Patrick

Mouser Electronics

(ah)

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