Wie stimmbarer Mensch

Jun 23, 2023

Im Bildungsbereich kann beispielsweise ein kühles blaues oder weißes Licht dazu beitragen, die Aufmerksamkeit von Schülern (und Lehrern) nach dem Mittagessen zu steigern, wenn Begeisterung und Energie tendenziell nachlassen. Umgekehrt trägt ein wärmeres orangefarbenes Licht dazu bei, ein Klassenzimmer voller lautstarker Kinder zu beruhigen.

Im Gastgewerbe nutzen Restaurants häufig die Vorteile einer einfach einstellbaren Beleuchtung, um den Gästen zu unterschiedlichen Tageszeiten unterschiedliche Atmosphären zu bieten – ohne dass ein komplexes, teures Multimode-Beleuchtungssystem erforderlich ist.

Und in Ländern, in denen es im Sommer extrem hohe Temperaturen gibt, insbesondere im Nahen Osten, und im Winter extrem niedrige Temperaturen, wie die Schweiz oder Kanada, verfügen immer mehr Gebäude über eine einstellbare Beleuchtung, die im Sommer blaueres Licht bietet, um eine kühlere Atmosphäre und orangefarbenes Licht zu schaffen im Winter, um ein Gefühl von Wärme zu erzeugen.

Während der Trend hin zu abstimmbarer Beleuchtung sowohl für Bewohner als auch für Kunden von Vorteil ist, stellen die technischen Herausforderungen bei der Entwicklung von LEDs, die abstimmbare Beleuchtung liefern, LED-Ingenieure vor Herausforderungen in Bezug auf Kosten, Leistung, Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit.

Wenden wir uns den CSP-LEDs zu

Um eine abstimmbare Beleuchtung zu unterstützen, sind mehrere LEDs erforderlich, die unterschiedliche Wellenlängen ausstrahlen. Dies erfordert viel mehr LEDs in jeder Glühbirne. Eine der wesentlichen Änderungen, die Ingenieure an der üblicherweise eingesetzten standardmäßigen „verpackten“ LED vornehmen müssen, besteht darin, bestimmte Teile herauszunehmen, um die LED-Komponente kleiner zu machen und so eine LED im Chip-Scale-Packaging (CSP) zu schaffen, bei der jedes Gerät weniger als 1,2x groß ist als sein zentrales LED-Funktionselement.

Die Erstellung eines CSP selbst ist keineswegs die einzige Herausforderung – eine weitere besteht darin, mit dem durch die geringe Größe verursachten Problem der starken Hitze umzugehen. Einige CSPs überschreiten mittlerweile 10 W/mm2. Was die meisten Ingenieure wissen, Verbraucher jedoch nicht, ist, dass LEDs in der Regel nur etwa 40 % effizient sind, was bedeutet, dass die LED 60 % ihrer Eingangsleistung als Wärme verschwendet. Wie bei jedem elektronischen Gerät kann sich zu viel Hitze negativ auf Leistungskriterien wie die Lichtqualität auswirken und zu ernsthaften Schäden am LED-Gewebe führen, die so schnell wie möglich entfernt werden müssen.

Bei standardmäßig verpackten LEDs ist die Ableitung dieser Wärme viel einfacher als bei CSPs. Wärme kann nicht durch die Kapselung entweichen, die zum Schutz dient, daher muss sie normalerweise über die Rückseite der LED entweichen und dabei durch mehrere Materialschichten wandern, die die Wärme verteilen, um die Gefahr zu mindern.

Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, besteht der Effekt einer Untermontage oder eines Gehäusesockels darin, die Wärme der LED über eine größere Fläche zu verteilen, bevor sie die metallkaschierte Leiterplatte (MCPCB) erreicht. Dies bedeutet, dass die MCPCB nicht mit der Kühlung der punktuellen Wärmequelle der LED-Verbindung zu kämpfen hat.

Bei CSPs haben die Hersteller jedoch den Unterbau oder die Gehäusebasis entfernt (der fertige CSP darf nicht mehr als 20 % größer als der Chip selbst sein, um als CSP zu gelten), was bedeutet, dass die LED jetzt die gleiche Wärmemenge erzeugt aber in einer viel kleineren Umgebung. Und als Doppelschlag fungierte die Untermontage/Gehäusebasis, die die CSP-LED jetzt verloren hat, als großartiger Wärmeverteiler und reduzierte so die Intensität der Hitze und das Risiko. Das Ergebnis ist eine LED, die auch eine starke Punktwärmequelle darstellt, die die Lichtqualität und die Lebensdauer jeder LED-Lampe, der sie hinzugefügt wird, gefährdet. Und niemand möchte ein Beleuchtungssystem kaufen, das nicht sein volles Potenzial ausschöpft.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, ist der Wärmetransport durch eine MCPCB eine Kombination aus radialer Ausbreitung im Kupfer und axialer Leitung durch Kupfer, Dielektrikum und Aluminium. In einer sehr vereinfachten Näherung wird ein optimaler Wärmefluss erreicht, wenn diese Vektoren gleich sind. Das heißt, wenn das Dielektrikum des MCPCB kein guter Wärmeleiter ist, muss die Kupferleiterbahn 70–105 µm dick (2 oder 3 Unzen) und großflächig sein, um eine effektive Kühlung zu gewährleisten.

Ein zweites Problem beim Entfernen des Unterbaus/Gehäusesockels besteht darin, dass dadurch die Verantwortung für das Wärmemanagement von den Herstellern von LED-Gehäusen auf die Leuchtenintegratoren und die gesamten Light-Engine-Designer verlagert wird. Dies ist etwas, mit dem sich die MCPCB-Lösungen bisher noch nie befassen mussten.

Traditionelle CSP-Wärmemanagementtechniken

Traditionell bestand die einzige Option für Level-2-Integratoren darin, die CSP-LEDs auf wärmeleistungsstärkeren Leiterplatten zu montieren – normalerweise metallbeschichtete Leiterplatten (MCPCBs), die eine hohe Wärmeleitfähigkeit bieten. MCPCBs bestehen typischerweise aus einem massiven Aluminiumblech (gelegentlich Kupfer) mit einer Dicke von normalerweise 1,5 mm und einem 70 µm dünnen Kupferblech, das mit einem Epoxiddielektrikum aufgeklebt ist. Dieses Epoxidharz wird häufig mit Partikeln eines wärmeleitenden Materials wie Aluminiumnitrid (AlN) gefüllt, um seine thermische Leistung zu erhöhen, ohne die elektrisch isolierenden Eigenschaften des Klebstoffs zu beeinträchtigen.

Bestenfalls führt dieser Ansatz zur Herstellung von MCPCBs zu einer Wärmeübertragung weg von diesen Punktwärmequellen von etwa 100 W/mK bei den leistungsstärksten Produkten – in der Praxis oft weitaus weniger. Während diese Leistung für die meisten LED-Module mit geringer Anzahl völlig akzeptabel ist, wird die Herausforderung bei CSPs durch die Anzahl der LEDs in unmittelbarer Nähe und die Art und Weise, wie sie Wärme abgeben, noch verschärft. CSPs sind eine punktuelle Wärmequelle – aufgrund ihrer geringen Größe sättigen sie schnell jedes Substrat, das nicht über die erforderliche Wärmeleitfähigkeit verfügt, wodurch die LED schnell anfällig für Überhitzung und Ausfall wird. Es besteht eindeutig Bedarf an einer kosteneffektiveren Wärmemanagement-Alternative auf Platinenebene, die das thermische und optische Profil von CSPs bewältigen kann und gleichzeitig die Herstellbarkeit und die Möglichkeit, vollständig standardmäßige Leiterplatten-Montagelinien zu verwenden, beibehält.

MCPCBs erstmals zu akzeptablen Preisen

Ende letzten Jahres und im Januar 2018 kam es zu einem Wendepunkt für die LED-Branche. Jetzt gibt es eine Alternative zum Standardprozess der Herstellung einer metallverkleideten Leiterplatte (MCPCB) – eine Alternative, die früher aufgrund ihres Preises nur für Hochleistungs-LED-Anwendungen verfügbar war, jetzt aber für allgemeinere abstimmbare Anwendungen erschwinglich ist Beleuchtung dank umfangreicher Herstellung und jahrelanger Forschung und Innovation, die die Kosten der Stückproduktion senken.

Mithilfe eines elektrochemischen Oxidationsprozesses (ECO) wandelt Cambridge Nanotherm die Oberfläche von Aluminium in eine Schicht aus wärmeleitendem, aber elektrisch isolierendem Nanokorn-Aluminiumoxid (Al2O3) um. Aufgrund der Herstellungsmethode ist diese „Nanokeramik“ atomar mit dem Rest der Platine verbunden, was ganz einfach für eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit sorgt. Während Aluminiumoxid als Bestandteil nicht unbedingt die beste Wärmeleitfähigkeit bietet, führt die extreme Dünnheit der Aluminiumoxidschicht zu einem Wärmewiderstand von der Oberseite des Kupfers zur Unterseite des Aluminiums von 0,31 °C.cm2/ W und möglicherweise niedriger, was ideal für abstimmbare Beleuchtung ist und Designbeschränkungen erheblich lockert. Einfach ausgedrückt können die besten Designs die Wärme jetzt effizient genug ableiten, um die Kombination mehrerer einzelner LEDs in derselben Anordnung zu ermöglichen und so die einstellbare Lichtleistung zu erhöhen, ohne die Brennfleckgröße der Glühbirne stark zu vergrößern.

Abbildung 4 zeigt, wie bei einem Standard-Nanotherm-MCPCB die optimale Kühlung einer Punktwärmequelle durch eine Kupferscheibe mit 3,5 mm Durchmesser erreicht wird. Während eine größere Kupferfläche weiter hilft, gilt das Gesetz der sinkenden Erträge. Dickeres Kupfer bringt keinen Vorteil (es sei denn, die Kupferfläche ist sehr groß) und erhöht die Kosten, das Gewicht und verhindert Leiterbahnen mit engen Lücken, die für den Anschluss an winzige CSP-LEDs unerlässlich sind.

Während durch abstimmbare Beleuchtung der Bedarf an CSP-LEDs steigt, werden ihre Einführung und Erschwinglichkeit durch Herausforderungen gebremst – es sei denn, die Branche führt ein besseres Wärmemanagement ein. Angesichts der enormen Nachfrage und des Potenzials für abstimmbare Beleuchtung reagiert die LED-Industrie jedoch mit einer Innovation nach der anderen. Und hier sind nanokeramische MCPCBs führend.

Über den Autor:

Mike Edwards ist Vizepräsident für Vertrieb und Marketing bei Cambridge Nanotherm – www.camnano.com

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