Bild1-wRudi Hechfellner, Anwendungsmanager bei Philips Lumileds Lighting, erklärt, dass das Wärmemanagement der mit Abstand wichtigste Aspekt bei der Entwicklung von LED-Systemen ist. Hersteller von LED-Systemen begegnen dieser Herausforderung durch die Optimierung von Kühlkörpern, hocheffizienten Leiterplatten, Gehäusen mit hoher Wärmeleitfähigkeit und anderen fortschrittlichen Wärmemanagementtechniken. Die thermische Simulation spielt dabei eine zunehmend wichtige Rolle, da sie die Bewertung verschiedener Alternativen und die Optimierung des Systemdesigns aus thermischer Sicht bereits vor der Prototypenphase ermöglicht.

Der Aufstieg der LED-Beleuchtung:
Festkörperbeleuchtung ist eine zukunftsweisende Technologie, die das Licht der Zukunft grundlegend verändern wird. LEDs wurden ursprünglich für einen Stromverbrauch von unter 50 Milliwatt entwickelt. Im letzten Jahrzehnt hat sich die Energieeffizienz von LEDs dramatisch verbessert und liegt nun typischerweise bei 40 bis 80 Lumen pro Watt. Neben der Energieeffizienz bieten LEDs auch eine längere Lebensdauer. Je nach Hersteller und Typ kann die Lebensdauer weißer LEDs zwischen ca. 6.000 und über 50.000 Stunden liegen, verglichen mit 30.000 Stunden bei Leuchtstoffröhren und weniger als 2.000 Stunden bei Glühlampen. LEDs können zudem Licht in einer bestimmten Farbe ohne Filter emittieren.
Das Marktforschungsunternehmen Yole Développement prognostiziert, dass Hochleistungs-LEDs das Wachstum des Marktes für Festkörperbeleuchtung vorantreiben und den Umsatz von unter einer Milliarde US-Dollar im Jahr 2007 auf rund 10,3 Milliarden US-Dollar im Jahr 2012 steigern werden. Yole geht davon aus, dass hochhelle und ultrahelle LEDs zusammen etwa 4,45 Milliarden US-Dollar dieses Gesamtvolumens ausmachen werden – mehr als das 5,5-Fache des Gesamtmarktvolumens von 2007. „Diese Festkörperbeleuchtungselemente entwickeln sich rasant zur primären Lichtquelle für diverse Anwendungen, darunter Ampeln, Innen- und Außenbeleuchtung von Pkw und Lkw, großflächige Präsentationen, Hintergrundbeleuchtung kleiner LCD-Bildschirme und dekorative Beleuchtung“, heißt es in einem aktuellen Bericht von iSuppli (Ref. 1). „Ständig werden neue Anwendungsbereiche für Beleuchtung entdeckt.“

Thermische Herausforderungen:
Hochleistungs-LEDs stellen größere thermische Herausforderungen dar als die meisten anderen Lichtquellen, vor allem weil LEDs keine Infrarotstrahlung erzeugen. Laut dem US-Energieministerium (DOE) werden 75 % bis 85 % der für den Betrieb von LEDs benötigten Energie in Wärme umgewandelt und müssen von der LED zur darunterliegenden Leiterplatte und zu Kühlkörpern, Gehäusen oder der Leuchtenabdeckung abgeführt werden. Das Büro für Energieeffizienz und Erneuerbare Energien des US-Energieministeriums hat ein Informationsblatt zum Thema „Wärmemanagement von weißen LEDs“ (Ref. 2) veröffentlicht. Kurzfristig kann überschüssige Wärme die Lichtausbeute einer LED verringern und zu Farbverschiebungen führen. Ein weiterer wichtiger Grund für das Wärmemanagement sind die langfristigen Auswirkungen, darunter die beschleunigte Abnahme der Lichtausbeute, die eine kürzere Lebensdauer zur Folge hat. Das DOE gibt an, dass Hersteller LEDs typischerweise bei einer festen Sperrschichttemperatur von 25 °C testen. Andererseits liegt die Sperrschichttemperatur im Dauerbetrieb typischerweise bei 60 °C oder höher. Unter diesen Bedingungen kann die Lichtausbeute von LEDs 10 % oder mehr unter dem Nennwert liegen und sogar noch geringer ausfallen; bei Produkten mit unzureichendem Wärmedesign kann sie deutlich niedriger sein.
Bei Glühlampen erfolgt der Wärmefluss direkt vom Glühfaden über Wärmestrahlung an die Umgebung, wobei das Glas einen gewissen Beitrag leistet. Der primäre Wärmetransportweg in einer LED ist im Allgemeinen die Wärmeleitung von der Sperrschicht zum Gehäuse. Der LED-Hersteller sorgt für das Wärmemanagement auf Gehäuseebene. Für den Hersteller ist die Minimierung des Wärmewiderstands von der Sperrschicht zur Gehäuseaußenseite von größter Bedeutung. Einige LEDs, üblicherweise kleine Einbau-LEDs, besitzen Anschlussdrähte, die den primären Wärmeleitungspfad bilden. Bei diesen LEDs ist der Wärmewiderstand des Anschlussdrahtes besonders kritisch.
image2-wDas Produktdesign variiert je nach Hersteller und LED-Typ, die grundlegenden Konzepte sind jedoch produktübergreifend ähnlich. In diesem Beispiel wird der LED-Chip typischerweise mit einer Bondschicht auf eine Metallverbindungsschicht geklebt, die wiederum auf ein Keramiksubstrat und ein elektrisch isolierendes Wärmeleitpad geklebt wird. Das gesamte Gehäuse ist so konstruiert, dass die Lichtausbeute maximiert und die Wärme von der Rückseite des LED-Chips abgeleitet wird.
Hechfellner wies darauf hin, dass selbst die thermisch effizientesten LED-Bauelemente ein entsprechendes Kühlsystem benötigen. Da die meisten herkömmlichen Beleuchtungsmethoden Wärme abstrahlen, weisen sie diese thermischen Probleme nicht auf. Viele Systemhersteller verfügen über deutlich mehr Expertise in den elektrischen und mechanischen als in den thermischen Aspekten der Konstruktion. „Die Ingenieursgemeinschaft braucht ein Umdenken und muss sich zunächst auf die thermischen und erst dann auf die elektrischen Aspekte konzentrieren“, sagte Hechfellner. „Der thermische Aspekt ist heute für 90 % der Konstruktionsprobleme von LED-Systemherstellern verantwortlich, während die elektrischen und mechanischen Aspekte zusammen nur 10 % ausmachen.“ „
Die größte Herausforderung für Systemunternehmen besteht darin, eine thermisch effiziente Fassung zu entwickeln, die es ermöglicht, ein LED-Bauelement einfach einzustecken, während die Wärme an die Umgebung abgegeben wird“, fuhr Hechfellner fort. Meines Wissens existieren solche Systeme derzeit nicht auf dem Markt. Für ihre Entwicklung sind bessere Wärmeleitmaterialien und Designwerkzeuge erforderlich. Wir konzentrieren uns auf den Aufbau einer Infrastruktur, die unsere Kunden bei der Entwicklung optimierter Wärmekonzepte unterstützt – beispielsweise durch Simulationswerkzeuge, mit denen präzise Modelle von LED-Bauelementen direkt in das Systemdesign integriert werden können.
Aufgrund der Beschaffenheit von LED-Produkten bleibt die Herausforderung des Wärmemanagements auch bei steigender Effizienz bestehen. Da die Lichtausbeute mit zunehmender Temperatur sinkt, wird ein größerer Anteil der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt, was die Temperatur weiter erhöht. Die Lichtausbeute einer LED nimmt mit dem Alter ab, wodurch ihre Wärmeabgabe im Laufe der Zeit steigen und den Alterungsprozess beschleunigen kann. Eine häufige Ursache für reduzierten Lichtstrom bei weißen LEDs ist die Vergilbung des Leuchtstoffs, die durch Wärme oder die Umgebung hervorgerufen werden kann. Dies bedeutet jedoch nicht zwangsläufig, dass der Chip weniger effizient arbeitet oder mehr Wärme erzeugt. Wärmemanagementlösungen müssen die von der LED während ihrer gesamten Lebensdauer abgegebene Wärme ausreichend abführen können.

Systemdesign-Überlegungen:
Die Designüberlegungen variieren je nach LED. Daher ist es wichtig, die Kennwerte und die Leistung der in der Anwendung verwendeten LEDs genau zu verstehen. Das Wesentliche beim LED-Systemdesign ist die effiziente Wärmeableitung vom LED-Kühlkörper, Chip oder den Anschlussdrähten an die Umgebung. Zunächst muss eine sichere und thermisch effiziente Verbindung zwischen Chip und Leiterplatte hergestellt werden. Die thermische Verbindung erfolgt typischerweise über eine kleine Durchkontaktierung in der Leiterplatte zu einer großen Kupferfläche auf einer anderen Lage. Die Wärme wird üblicherweise über diese Lage an das Gehäuse oder einen externen Kühlkörper abgeleitet.
Ein externer Kühlkörper kann erforderlich sein, wenn im Gehäuse eine außergewöhnlich hohe Wärmemenge abgeführt wird. Kupfer und Aluminium sind gängige Materialien für LED-Kühlkörper. Die Optimierung der Kühlkörpergeometrie ist in vielen Anwendungen entscheidend, da der Wärmewiderstand des Kühlkörpers gegenüber Luft oft eine wichtige Rolle spielt. Die Kühlkörperleistung variiert je nach Faktoren wie Material, Anzahl der Kühlrippen, Rippendicke, Basisdicke usw. Externe Kühlkörper vergrößern die Oberfläche für die Wärmeabfuhr an die Umgebung. Das optimale Design hängt von den lokalen Luftströmungsbedingungen ab, die durch den Kühlkörper beeinflusst werden und somit die Konstruktion erschweren.
Abbildung1-wKupfer bietet eine überlegene Wärmeleitfähigkeit, während Aluminium leichter und kostengünstiger ist. In manchen Fällen können Leiterplatten aus Materialien verwendet werden, die die Wärmeübertragung über die Lötstellen verbessern. Diese Lötstellen können aus keramikbeschichtetem Stahl, Aluminium oder anderen Materialien bestehen.
Die anspruchsvollsten LED-Anwendungen sind solche, die ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse zum Schutz der LED vor der Umgebung erfordern. Eine Möglichkeit, dieser Herausforderung zu begegnen, ist die Verwendung eines Gehäusematerials mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
In anderen Fällen sind aufwendigere Maßnahmen erforderlich. Ein Beispiel hierfür ist ein Luft-Luft-Wärmetauscher, der mit internen Lüftern warme Luft über interne Kühlrippen zirkulieren lässt, welche die Wärme an die Gehäusewände abgeben. Externe Lüfter leiten kühle Umgebungsluft über außen am Gehäuse angebrachte Kühlrippen, um die Wärme abzuführen. Die Wärmeübertragung erfolgt dann durch Konvektion und Wärmeleitung.
Offensichtlich müssen bei der Entwicklung von LED-Systemen zahlreiche Designvariablen berücksichtigt werden.
Die Optimierung des Wärmedesigns ist aus mehreren Gründen entscheidend. Das DOE-Datenblatt zum Wärmemanagement weist darauf hin, dass überschüssige Wärme die kurz- und langfristige Leistung von LEDs beeinträchtigt. Zu den reversiblen Kurzzeiteffekten gehören Farbverschiebungen und eine reduzierte Lichtausbeute. Die Minimierung von Farbverschiebungen ist entscheidend für die Hintergrundbeleuchtung in neuen Anwendungen wie LCD-Fernsehern, wo eine höhere LED-Dichte zwar die Farbwiedergabe verbessert, aber die Kühlung erschwert. Eine erhöhte Sperrschichttemperatur kann die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit einer Leistungs-LED erheblich beeinträchtigen. Beispielsweise hat eine Änderung der Sperrschichttemperatur um 10 Grad Celsius bei ansonsten konstanten Bedingungen einen dramatischen Einfluss auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit (Abb. 1). Die Optimierung des Wärmedesigns kann auch die Produktkosten erheblich beeinflussen. So entscheidet beispielsweise die Effektivität des Wärmedesigns darüber, ob ein Kühlkörper erforderlich ist – eine Entscheidung, die die Gesamtkosten maßgeblich beeinflusst.

Die Rolle der Simulation:
Die meisten Elektronikhersteller, Erstausrüster (OEMs) und Komponentenlieferanten haben längst erkannt, dass thermische Probleme frühzeitig im Designprozess identifiziert und behoben werden müssen. Viele setzen Software ein, die Komponenten- und Systemanalysen durchführt, um das Wärmemanagement vor physischen Tests zu optimieren und so zusätzliche Designiterationen zu vermeiden. LED-Systemhersteller nutzen diese Software jedoch häufig für die Entwicklung von Systemen, die auf anderen Beleuchtungstechnologien basieren und nicht dieselben Herausforderungen im Bereich des Wärmemanagements mit sich bringen. Diesen Unternehmen fehlt möglicherweise das Wissen und die Erfahrung, um die leistungsstarke und hochentwickelte CFD-Software (Computational Fluid Dynamics) zu nutzen, die von Halbleiterherstellern und großen Elektronik-OEMs eingesetzt wird.

Alle CFD-Programme der letzten zehn Jahre und viele der heutigen Programme erfordern ein tiefes Verständnis der rechnerischen Aspekte der Fluiddynamik, um genaue Ergebnisse zu erzielen. Beispielsweise müssen Anwender wissen, wie sie ihr CAD-Modell in die CFD-Umgebung übertragen und es anschließend „umkehren“, sodass der Vakuumströmungsraum anstelle des festen Produkts modelliert wird. Dazu gehört das Erstellen eines Netzes mit den passenden Eigenschaften, das Festlegen von Randbedingungen, das Auswählen der richtigen physikalischen Modelle, das Anpassen der Auflösungseinstellungen zur Sicherstellung der Konvergenz und weitere Aufgaben. Frühere Generationen von CFD-Software erforderten zudem umfangreiche Anpassungen, wie das manuelle Modifizieren von Zellen zur Verbesserung der Netzqualität und das Anpassen von Auflösungsparametern wie Relaxationsfaktoren, um eine Konvergenz zu erreichen.
In den letzten Jahren wurde jedoch eine neue Generation von CFD-Software eingeführt, die alle Hauptgründe für die bisher relativ geringe Nutzung von CFD-Software behebt. Durch die Verwendung nativer 3D-CAD-Daten, die automatische Erkennung und Rasterung des Strömungsraums sowie die Verwaltung von Strömungsparametern als objektbasierte Merkmale entfällt für Ingenieure das Verständnis der rechnerischen Aspekte der CFD. Sie können sich stattdessen auf die Fluiddynamik des Produkts konzentrieren, deren Verständnis und Beherrschung in ihrer Verantwortung liegt. Die neue Generation von CFD-Software verfügt über hochentwickelte automatische Steuerungsfunktionen, die in nahezu allen Anwendungen eine Konvergenz ohne manuelle Anpassung gewährleisten.
Diese Software eignet sich hervorragend für die thermische Auslegung von LED-Systemen. Für die Bedienung der CFD-Software sind lediglich Kenntnisse des CAD-Systems und der Produktphysik erforderlich, die die meisten Konstrukteure bereits besitzen. Die Verwendung nativer 3D-CAD-Daten spart Zeit und ermöglicht die Erfassung der gesamten geometrischen Komplexität von LED-Systemen. Die neue Softwaregeneration deckt zudem alle möglichen Wärmeübertragungsmechanismen ab und bietet somit eine zuverlässige Grundlage für präzise Analysen. Durch die Automatisierung aller notwendigen Schritte zur Erstellung eines CFD-Modells ermöglicht die neue Generation von CFD-Software LED-Systementwicklern die schnelle Bewertung einer Vielzahl von Designalternativen.
Abbildung2-wAbbildung 3-wDie in den Abbildungen 2, 3 und 4 dargestellte Lampe verwendet sechs Hochleistungs-LEDs. Diese LEDs und das integrierte Netzteil erzeugen Wärme. Da keine Lüfter zum Einsatz kamen, konnten sich die Ingenieure nur auf Wärmeleitung, natürliche Konvektion und Wärmestrahlung verlassen. Mithilfe einer in ihr CAD-System integrierten CFD-Software definierten die Ingenieure von Voxdale alle Materialien und deren Eigenschaften, die Wärmeableitung der LEDs und des Netzteils, die Richtung der Konvektion aufgrund der Schwerkraft usw. Nach der automatischen Vernetzung…

Die Ergebnisse wurden in hoher Auflösung in der nativen CAD-Geometrie visualisiert, wie in Abbildung 4-wden folgenden Abbildungen dargestellt.
Konvektion saugt kühle Luft in die Lampe, während warme Luft durch die Schlitze entweicht.
Dialight PLC nutzt CFD-Software, die in die CAD-Software integriert ist, für die Entwicklung von LED-Beleuchtungssystemen. Dialight ist ein führendes Unternehmen im Bereich angewandter LED-Technologie und operiert in zwei Hauptsegmenten: 1) Komponenten: darunter LEDs mit geringer Helligkeit für Statusanzeigen in elektronischen Geräten. 2) Signaltechnik/Beleuchtung: Einsatz modernster LED-Technologie mit hoher Helligkeit für Verkehrs- und Bahnsignale, Hindernismarkierungen, Gefahrenbereichsbeleuchtung und die Entwicklung von Anwendungen im breiteren Beleuchtungsmarkt. „Obwohl LEDs immer energieeffizienter werden, wird ein erheblicher Teil der zugeführten Energie in Wärme umgewandelt“, so Gordon Routledge, Vice President Lighting Products bei Dialight. „Die Kühlung von Elektronik und LED-Bauteilen ist entscheidend für die langfristige Zuverlässigkeit, und die thermische Analyse – einschließlich der Luftströmungsanalyse – ist unerlässlich, um unsere anspruchsvollsten Entwicklungsfristen einzuhalten.“

Physikalische
Tests sind für die Untersuchung spekulativer Designänderungen zu teuer und zeitaufwendig, eignen sich jedoch hervorragend zur Validierung des finalen Designs und zur Untersuchung von Fertigungsproblemen. Sie können die Materialeigenschaften der Sperrschichtdicke bestätigen und Probleme wie Spalten im Sperrschichtchip identifizieren.
Der primäre Ansatz nutzt die Tatsache, dass die Temperatur proportional zum Vorwärtsspannungsabfall eines Bauelements ist. Nach der Bestimmung des Vorwärtsspannungsabfalls bei einem bestimmten Messstrom wird ein hoher Strom an die LED angelegt, um sie zu erhitzen. Dieser Strom wird anschließend abgeschaltet, während ein deutlich kleinerer Teststrom zur Messung angelegt wird. Der kleine Teststrom zur Charakterisierung des Bauelements und die kleine Vorwärtsspannung müssen identisch sein. Die Vorwärtsspannung wird sehr schnell gemessen, bevor die Sperrschicht abkühlen kann. Die Möglichkeit, die Temperaturänderung über die Zeit zu überwachen, liefert detaillierte Informationen darüber, wie die Wärme durch die einzelnen Schichten auf ihrem Weg von der Sperrschicht nach außen fließt. Dies ermöglicht die direkte Messung wichtiger Wärmewiderstände im Wärmeflusspfad, wie beispielsweise des Sperrschichtchip-Widerstands.
Aufgrund der schnellen thermischen Reaktion der LED ist hochentwickelte Messtechnik erforderlich, die die Temperaturänderung des ausgeschalteten Bauteils innerhalb weniger Mikrosekunden messen kann. Mithilfe dieser thermischen Transientenmessungen lassen sich hochpräzise Strukturfunktionen generieren, die detaillierte interne Informationen über die Gehäuse von Leistungs-LEDs liefern und so Defekte an den pn-Übergängen sowie andere Probleme mit der strukturellen Integrität aufdecken.

Fazit:
Die LED-Technologie bietet enormes Potenzial für Energieeinsparungen sowie verbesserte Lichtqualität und Zuverlässigkeit. Ein effektives Wärmemanagement ist im LED-Design entscheidend, um die Anforderungen an Leistung, Lebensdauer und Kosten zu erfüllen. Systementwickler haben eine Vielzahl potenzieller Alternativen zur Bewältigung thermischer Herausforderungen zur Verfügung. Die neueste Generation von Software für thermische Simulationen und integrierte CAD-Fluide ermöglicht es Konstrukteuren, thermische Probleme zu diagnostizieren, alternative Designs zu bewerten und schnell zu einer optimalen Lösung zu gelangen. Das finale Design kann während der Prototypenphase durch Messungen qualifiziert werden, um Fertigungstoleranzen sicherzustellen – beispielsweise, dass die Grenzflächendicke den Anforderungen des thermischen Designs entspricht – und um etwaige Fertigungsprobleme zu identifizieren. Die gewonnenen Erkenntnisse können dann zur Verbesserung zukünftiger Designsimulationen genutzt werden.

Quellenangaben
: 1. http://www.isuppli.com/rptviewer/default.asp?a=34715&cmd=inline
2. http://www.netl.doe.gov/ssl/PDFs/ThermalLED_Feb07_2.pdf
3. http://www.lumileds.com/pdfs/WP12.pdf

Quelle: Mentor Graphics