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Wärmemanagement bei LEDs: Ein Blick über die Wärmeleitfähigkeitswerte hinaus

EN FR IT Schlagwörter: Wärmeleitprodukte, LEDs, Gießharze

Speziell entwickelte und formulierte chemische Produkte werden in der Elektronikindustrie für ein breites Anwendungsspektrum genutzt.

Sowohl bei der PCB-Herstellung als auch zum Schutz von Komponenten oder ganzen Geräten wurden solche Produkte zur Sicherstellung der Leistungsfähigkeit und Qualität von elektronischen Geräten zu einem entscheidenden Faktor.

Die Thematik dieses Dokumentes befasst sich mit der Anwendung dieser formulierten chemischen Produkte im Rahmen von Wärmemanagement-Anwendungen, insbesondere in der schnell wachsenden LED-Industrie. Wie uns allen bekannt ist, sind LEDs seit einigen Jahren in zahlreichen Elektrogeräten zu finden. Aktuelle Entwicklungen innerhalb dieser Branche haben das breite Spektrum der LEDs in aller Art von Beleuchtungen, Beschilderungen und Heimgeräten, um nur einige zu nennen, begünstigt. Als Alternative zu Halogen- und Glühlampen oder Leuchtstoffröhren für den Innen- und Außenbereich erscheinen die Einsatzmöglichkeiten der LEDs nahezu grenzenlos. Hinsichtlich der Eignungsfähigkeit bieten LEDs gegenüber den herkömmlichen Beleuchtungsarten einige Vorteile, denn sie erlauben aufgrund des geringen Platzbedarfs mehr Gestaltungsmöglichkeiten und zeichnen sich durch eine außerordentlich lange Lebensdauer aus, sodass sie hinsichtlich vieler Anwendungen für eine kosteneffektive Lösung stehen. Des Weiteren sind sie auch erheblich effizienter, da sie das Gros der Energie in Licht umwandeln und somit weniger Wärme abgeben.

Obwohl LEDs wesentlich effizienter als herkömmliche Beleuchtungsarten sind, so geben sie dennoch etwas Wärme ab. Diese Wärme kann sich nachteilig auf die LED auswirken, sodass diese Wärme abgeführt werden muss, um sicherzustellen, dass die eigentlichen Vorteile dieser Technik gewahrt bleiben. Üblicherweise nach der Farbtemperatur kategorisiert, sind LEDs in einer riesigen Farbenvielfalt erhältlich. Mit einer Änderung der Betriebstemperatur der LED ändert sich ebenfalls die Farbtemperatur; mit weißem Licht könnte beispielsweise die Erhöhung der Temperatur dazu führen, dass die LED eine „wärmere“ Farbe abgibt. Sollte sich ergeben, dass LEDs einer Baugruppe unterschiedliche Temperatur besitzen, kann dies im Ergebnis Unterschiede in den abgestrahlten Farbtemperaturen ergeben, was das qualitative und ästhetische Erscheinungsbild des Gerätes beeinflusst.

LED board

Die Beibehaltung der richtigen Temperatur der LED kann nicht nur ihre Lebensdauer verlängern, sondern auch dazu führen, dass mehr Licht erzeugt wird, sodass zur Erreichung des gewünschten Effekts weniger LEDs erforderlich sein könnten. Die Erhöhung der Betriebstemperatur kann, wie gesagt, auch einen nützlichen Effekt auf die Eigenschaften der LED haben. Werden jedoch übermäßige Temperaturen erreicht, insbesondere über der maximalen Betriebstemperatur der LED (~120-150˚C), dann kann es zu einem schädigenden Effekt, bis hin zum vollständigen Ausfall, kommen. Die Betriebstemperatur steht in unmittelbarem Zusammenhang mit der Lebensdauer der LED; je höher die Temperatur, desto kürzer die Lebensdauer. Das Gewährleisten eines effizienten Wärmemanagements führt somit zu einer gleichbleibenden Qualität und einer langen Lebensdauer der LED-Arrays sowie einem gleichmäßigen Erscheinungsbild und eröffnet somit Optionen für weitere Anwendungen in diesem sich stets weiterentwickelnden Industriezweig.

q = -k A (ΔT/s)
Fouriersches Gesetz der Wärmeleitung

q ist die per Übertragung übermittelte Wärme (W)
k ist die Wärmeleitfähigkeit (W/m K)
A ist die Querschnittsfläche des Materials durch das die Wärme fließt (m2)
ΔT ist der Temperaturunterschied innerhalb des Materials (°C oder K)
s ist die Materialstärke (m)

Die Prinzipien der Wärmeübertragung können durchaus sehr detailiert diskutiert werden. Jedoch schneiden wir im Sinne dieses Dokumentes nur die Grundlagen an; die Leitfähigkeit (per direktem Kontakt mit einer festen Masse übertragene Wärme – Fouriersches Gesetz), Wärmekonvektion (Übertragung von Wärme mithilfe der Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen – Newtonsches Gesetz) und Strahlung (die mithilfe eines elektromagnetischen Feldes übertragene Wärme). Strahlung hat in der Regel bei der Wärmeübertragung der LED-Systeme einen nur sehr geringen Einfluss, da die Flächen relativ klein sind, sodass uns hier eher das Prinzip der Leitfähigkeit und der Wärmekonvektion interessiert: Die Leitfähigkeit bezieht sich auf die Übertragung von Wärme zwischen der LED und dem Kühlkörper, wobei die Wärmekonvektion die Übertragung von Wärme von dem Kühlkörper an die Umgebungsluft meint.

Das Newtonsche Gesetz der Kühlung besagt, dass das Ausmaß des Wärmeverlustes sich proportional zu dem Temperaturunterschied zwischen dem Körper und dessen Umgebung verhält. Daher gilt, wenn die Temperatur einer Komponente steigt und die Gleichgewichtstemperatur erreicht, dann entspricht das Maß des Wärmeverlustes pro Sekunde der innerhalb der Komponente pro Sekunde erzeugten Wärme. Da die Abgabe von Wärme von einer Komponente an ihre Umgebung über die Oberfläche der Komponente erfolgt, steigt das Maß der Abgabe mit dem Umfang der Oberfläche. Dies ist nun der Punkt, an dem Kühlkörper zum Einsatz kommen – mit unterschiedlicher Größe und Form lassen sich Kühlkörper so konzipieren, dass sie den Umfang der Oberfläche, mit dem Ziel einer maximalen Wärmeabgabe, erheblich vergrößern. Bei LED-Anwendungen werden oftmals Kühlkörper eingesetzt, die fest mit der Rückseite der Komponente verbunden sind. Idealerweise sollten diese Kontaktflächen perfekt anliegen und auf diese Weise die Effizienz der Wärmeabgabe erhöhen, jedoch ist das in der Regel nicht möglich. Im Ergebnis kommt es an den Verbindungsstellen zum Kühlkörper zur Ausbildung von Luftspalten, was die Effizienz der Wärmeübertragung erheblich verringert.

q = h A ΔT
Newtonsches Gesetz der Kühlung - Wärmekonvektion

q ist die per Konvektion übertragene Wärme (W)
h ist der Wärmeübertragungskoeffizient (W/m2 K)
A ist die Oberfläche (m2)
ΔT ist der zwischen der Oberflächentemperatur und der Umgebungsluft in der Regel vorhandene Temperaturunterschied (°C oder K)

Es gibt viele Möglichkeiten, das Wärmemanagement von LED-Produkten zu verbessern, sodass vor diesem Hintergrund die entsprechende Art des wärmeleitenden Materials zu wählen ist, um die gewünschten Resultate der Wärmeabgabe sicherzustellen. Insofern beschreiben wir als erste Art eines Wärmemanagement-Produktes thermische Verbundstoffe, wie Wärmeleitmaterialien, um Luftspalte zwischen den Kontaktflächen zu beseitigen und so die Effizienz der Wärmeableitung von der LED zu verbessern. Solche Materialien wurden entwickelt, um die Spalte zwischen dem Gerät und dem Kühlkörper auszufüllen und somit den Wärmeleitwiderstand an dem Übergang zwischen den beiden Komponenten zu reduzieren. Dieses bewirkt einen schnelleren Wärmeverlust und eine geringere Betriebstemperatur des Gerätes. Aushärtende Produkte lassen sich ebenfalls als Verbundmaterial nutzen, wie z.B. RTV-Silikone (Raum-Temperatur Vernetzend) oder Epoxidharze – die Entscheidung hängt oftmals von den Anforderungen an die Klebkraft des Verbundstoffes oder an die Betriebstemperatur ab. Feste Stoffe, wie sogenannte Gap-Pads und Phase-Change Materialien sind auch möglich, wenn ein dünnes Foliensubstrat verwendet wird. Daher sollten erste Überlegungen bei der Produktwahl dahingehend erfolgen, ob ein aushärtendes Produkt erforderlich ist, um den Kühlkörper entsprechend fest zu positionieren, oder ob ein nicht aushärtendes Material, wie Wärmeleitpaste, eher passt, um die Option von Nacharbeiten zu ermöglichen.

Silikonhaltige- und silikonfreie nicht aushärtende Produkte sind ebenfalls möglich; Silikonprodukte verfügen über eine höhere Temperaturgrenze von 200˚C und aufgrund des verwendeten Silikon-Trägeröls über eine geringere Viskosität. Das führt uns zu unserem nächsten Aspekt bei der Produktwahl, da auf Silikon basierende oder silikonhaltige Produkte für bestimmte Anwendungen nicht zugelassen sein könnten. Der Grund können mehrere Faktoren sein, wie die Anwendungsanforderungen, mögliche Probleme bei der Reinigung oder bei Verklebungen. Solche Probleme treten aufgrund der Migration von niedermolekularen Siloxanen auf; diese flüchtigen Bestandteile können die Oberflächenspannung des Substrates, auf das sie gelangen, verringern, sodass sich eine Reinigung oder ein Anhaften äußerst schwierig gestalten kann. Des Weiteren kann die Migration von niedermolekularen Siloxanen aufgrund ihrer elektrisch-isolierenden Natur zum Ausfall von elektronischen Komponenten führen. Bei Electrolube formulieren wir Produkte aus Rohmaterialien, die speziell für die Elektronikindustrie entwickelt wurden. Aus dem Grund werden silikonhaltige Produkte ausschließlich dann eingesetzt, wenn niedermolekulare Komponenten überwacht werden und sich auf ein absolutes Minimum beschränken. Als Alternative lassen sich bei kritischen Anwendungen auch silikonfreie Produkte nutzen.

SC3001 being applied to LED strip

Als weitere Option in Bezug auf das Regeln der Wärmeleitung aus einem elektronischen Gerät kann ein wärmeleitendes Gießharz eingesetzt werden. Diese Produkte wurden entwickelt, um der Einheit Schutz vor äußeren Einflüssen zu bieten, gleichzeitig aber auch zu ermöglichen, dass die innerhalb des Gerätes entstehende Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. In diesem Fall wird das Gießharz zum eigentlichen Kühlkörper und leitet die Wärmeenergie von dem Gerät weg. Solche Produkte lassen sich verwenden, um LED’s und die sie tragenden Leiterplatten von der Rückseite her zu vergiessen und darüber hinaus die Leiterplatte auch mit einem Schutzüberzug zu versehen. Ferner können sie, je nach Farbe, die Reflektion von Licht unterstützen. Diese Gießharze verwenden wärmeleitende Füllstoffe, jedoch können das Basisharz, der Härter und andere Zusätze im Hinblick auf zahlreiche Optionen ausgetauscht und ggf. durch solche auf Epoxid-, Polyurethan- und Silikon-Basis ersetzt werden.

Die verschiedenen chemischen Optionen bieten eine Vielzahl von Eigenschaften, die je nach den Anforderungen der endgültigen Anwendung in Erwägung zu ziehen sind. So bietet beispielsweise ein Material aus Polyurethan eine ausgezeichnete Flexibilität, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, was einen großen Vorteil gegenüber einem Epoxidmaterial darstellen kann. Ein Silikonharz kann diese Flexibilität bei niedrigen Temperaturen ebenfalls erfüllen, zeigt jedoch auch bei hohen Temperaturen eine hervorragende Leistungsfähigkeit, weit mehr als die anderen zur Verfügung stehenden chemischen Stoffe. Die Silikonprodukte sind in der Regel teurer. Epoxide sind sehr hart und bieten bei zahlreichen rauen Umgebungen einen exzellenten Schutz. Sie bestehen aus festen Materialien mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, und in einigen Fällen lässt sich das Produkt mit einem gewissen Maß an Flexibilität formulieren. Die Formulierung von Gießharzen kann kundenspezifischen Eigenschaften mit einem breiten Produktspektrum für individuelle Anwendungen dienen, sodass zu empfehlen ist, die jeweiligen Anwendungsgebiete mit dem entsprechenden Materiallieferanten zu besprechen.

Ungeachtet der Art des für das Wärmemanagement gewählten Produktes gilt es, einige wichtige Eigenschaften zu berücksichtigen. Dass können ziemlich gängige Parameter sein, wie die Betriebstemperatur des Gerätes, die elektrischen Anforderungen oder die Verarbeitungsbeschränkungen, wie die Viskosität, die Aushärtungszeit etc. Andere Parameter sind für das Gerät wichtiger, und ein Wert allein mag unter Umständen für die Spezifizierung des geeigneten Produktes nicht ausreichend sein. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist hierfür ein grundlegendes Beispiel. Gemessen in W/m K steht sie für die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten. Werte der spezifischen thermischen Leitfähigkeit des Materials finden sich in den meisten Produktdatenblättern und geben einen guten Hinweis auf das Maß der zu erwartenden Wärmeübertragung und ermöglichen einen Vergleich zwischen den verschiedenen Materialien. Jedoch resultieren diese Materialwerte allein nicht unbedingt in der effektivsten Wärmeübertragung. Hierzu ist mehr zu betrachten.

Θ = L/k A
Wärmewiderstand des Verbundmaterials

Θ ist der Wärmewiderstand des Verbundmaterials (K m2/W)
L ist die Stärke des Verbundmaterials (m)
K ist die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials (W/m K)
A ist die Oberfläche (m2)

Der Wärmewiderstand, gemessen in K m2/W, verhält sich reziprok zur Wärmeleitfähigkeit und berücksichtigt die Schichtstärke des Materials zwischen den Flächen, und obwohl er von den Kontaktflächen und dem jeweils ausgeübten Druck abhängt, lassen sich einige allgemeine Regeln ableiten, um die Wärmewiderstandswerte auf einem Minimum zu halten und somit die Effizienz der Wärmeübertragung zu maximieren. So wird beispielsweise ein Kühlkörper aus Metall eine erheblich höhere Wärmeleitfähigkeit als die zur Anbindung verwendete Wärmeleitpaste haben. Insofern ist es wichtig, dass nur eine dünne Schicht dieser Paste verwendet wird; eine dickere Schicht erhöht in diesem Fall lediglich den Wärmewiderstand. Aus dem Grund ermöglichen geringere Einzelschichtstärken und höhere spezifische Wärmeleitfähigkeiten die bestmögliche Verbesserung der Wärmeübertragung. In einigen Fällen kann sich jedoch das Verwenden eines Materials mit einer höheren spezifischen thermischen Leitfähigkeit nachteilig auf den Kontaktwiderstand auswirken, sodass keine Verbesserung erreicht wird. Die folgende Tabelle gibt einige Hinweise zu den Unterschieden zwischen den Wärmeleitmaterialien, und inwieweit die Kombination von Eigenschaften eine größere Bedeutung als nur ein Wert allein hat.

Tabelle 1 – Vergleich verschiedener Wärmeleitmaterialien
Thermisches MaterialSpezifische WärmeleitfähigkeitWärmewiderstandMaterialstärkeNacharbeiten möglich
Klebstoffe GUT GUT HERVORRAGEND AUSREICHEND
Verbundstoffe oder Pasten GUT HERVORRAGEND HERVORRAGEND HERVORRAGEND
Gießharze GUT GUT GUT AUSREICHEND / SCHLECHT
Wärmeleit-Pads HERVORRAGEND AUSREICHEND SCHLECHT HERVORRAGEND
Phasenübergang HERVORRAGEND GUT AUSREICHEND GUT

Ein Beispiel dieses Unterschieds zeigt der Vergleich von thermischen Vergussmassen oder Wärmeleitpasten und Wärmeleit-Pads in Tabelle 1. Wärmeleit-Pads sind feste, polymerisierte Materialien von bestimmter Stärke, die mit unterschiedlicher thermischen Leitfähigkeit erhältlich sind. Wärmeleitpasten sind, wie oben erwähnt, nicht aushärtende Stoffe, sodass sich ihre Viskosität aufgrund dessen mit steigender Temperatur leichter verändert. Dies ermöglicht eine weitere Reduzierung des Übergangswiderstandes beim Einfahren des Systems nach Inbetriebnahme. Bei Wärme-Pads werden, um eine entsprechende Anbindung zu erzeugen, hohe Drücke benötigt. Aus dem Grund kann eine Wärmeleitpaste oder ein Pad von vergleichbarer spezifischer thermischer Leitfähigkeit überaus unterschiedliche Ergebnisse in der Wärmewiderstandsmessungen des gesamten thermischen Pfades hervorrufen, sodass sich in der Effizienz der Wärmeübertragung Unterschiede feststellen lassen.

Stützt man sich bei der Produktwahl einzig auf die spezifischen thermischen Leitfähigkeitswerte, dann ist die Anzahl der verschiedenen zur Verfügung stehenden Messtechniken ein weiterer Aspekt. Werden bei demselben Produkt unterschiedliche Testverfahren oder -parameter angewandt, dann kann dies zu völlig anderen Wärmeleitfähigkeitswerten führen und darin resultieren, dass sehr hoch erscheinende spezifische thermische Leitfähigkeitswerte in der Praxis in eine erheblich verminderte Effizienz in der Wärmeabgabe mündet. Einige Techniken messen lediglich die Summe des thermischen Widerstandes des Materials sowie den Kontaktwiderstand Material⇔Messinstrument. Electrolube bedient sich einer Variante der Wärmefluss-Methodik, die die beiden Werte separat misst, sodass man eine genaueres Messergebnis der spezifischen thermischen Leitfähigkeit des Materials erhält. Ungeachtet der eingesetzten Methode ist es unerlässlich, dass Produkte in Bezug auf ihre spezifische thermische Leitfähigkeit mit dem gleichen Verfahren verglichen werden. Ferner sind die Produkte in jedem Fall in der jeweils endgültigen Anwendung zu testen, sodass sich die effektive Entwärmung objektiv wiedergeben lässt.

Dies führt uns zu einem weiteren wichtigen Aspekt der Produktauswahl, der Anwendung der Wärmeleitmaterialien. Ungeachtet dessen, ob es sich um Vergussmassen oder um Verbundmaterial handelt, sämtliche Lücken in dem thermisch leitfähigen Medium resultieren in einer Reduzierung der Wärmeabgabe. Bei Verbundmaterialien hat die Viskosität eines Produktes oder die mögliche Mindeststärke für eine Anwendung große Auswirkungen auf den Wärmewiderstand, und aus dem Grund kann ein überaus leitfähiger Stoff mit hoher Viskosität, der nicht gleichmäßig auf eine Fläche aufgebracht werden kann, einen höheren Wärmewiderstand und eine geringere Effizienz in der Wärmeabgabe aufweisen, wenn dieser Stoff mit einem Produkt von niedrigerer Viskosität und mit einer geringeren spezifischen thermischen Leitfähigkeit verglichen wird. Bei Gießharzen lässt sich das ähnlich formulieren; je höher die Viskosität, desto schwieriger ist es für das Harz, sich gleichmäßig um die Einheit zu verteilen, sodass sich aus dem Grund evtl. in der Vergussmasse Luftspalten bilden, die die Wärmeabgabe reduzieren. Hierbei ist es wichtig, dass der Anwender die spezifische thermische Leitfähigkeit, den Wärmeübergangswiderstand, die Schichtstärken und Auftragverfahren berücksichtigt, um im Ergebnis eine optimale Wärmeübertragung zu erreichen.

Ein praktisches Beispiel, das die Anforderung nach solchen Überlegungen unterstreicht, zeigen Tabelle 2 und die unten stehende Grafik. Mithilfe der Messung der von dem in Betrieb befindlichen Gerät erzeugten Wärme zeigen sich die möglichen Unterschiede in der Wärmeabgabe. Diese Resultate basieren auf der Ausführung eines Endnutzers, wobei sämtliche Produkte aus thermischen Verbundmaterialien bestanden, die mit der gleichen Methode und in einer identischen Stärke aufgetragen wurden.

Tabelle 2 – Vergleich der effektiven Wärmeabgabe mithilfe unterschiedlicher thermischer Verbundmaterialien
PRODUKT #SPEZIFISCHE THERMISCHE LEITFÄHIGKEIT (W/m K)GERÄTE-TEMPERATUR (˚C)TEMPERATUR-VERRINGERUNG (˚C)
Ohne Verbundstoff Nicht vorhanden 30 Nicht vorhanden
1 12,5 22 27%
2 1,0 24 20%
3 1,4 21 30%
4 4,0 23 23%
True Efficiency of Heat Transfer

Es ist klar ersichtlich, dass eine höherer spezifischer thermischer Leitfähigkeitswert, in diesem Fall 12,5 W/m K, nicht zwangsläufig in einer effektiveren Wärmeabgabe resultiert, wenn ein direkter Vergleich mit Produkten mit geringeren Werten erfolgt, wie oben mit 1,4 W/m K. Der Grund kann darin liegen, dass das Verarbeitungsverfahren für das Produkt ungeeignet oder ein Auftragen des Produktes nicht problemlos möglich war, oder das Produkt möglicherweise für diese bestimmte Anwendung nicht konzipiert wurde. Ungeachtet des Grundes zeigt sich hier die Bedeutung der Produktanwendung und der Produktwahl.

Mit den schnellen Fortschritten in der Elektronikindustrie, insbesondere bei den LED-Anwendungen, ist es zwingend erforderlich, dass auch die Technologie der Materialien berücksichtigt wird, um den immer höher werdenden Ansprüchen in Bezug auf die Entwärmung gerecht werden zu können. Electrolube hat ganz spezifische Technologien entwickelt, um die Verarbeitungsmöglichkeiten von Wärmeleitmaterialien zu optimieren, einfach und effektiv. Das hat zu einer reduzierten Viskosität und einer höheren spezifischen Leitfähigkeit von Wärmeleitmaterialien geführt, sodass diese Produkte mit den beiden Eigenschaften in Kombination aufgrund des minimierten Wärmewiderstands eine maximale Effizienz in der Kühlung gewährleisten. Diese Technologie wurde nun ebenfalls auf Vergussmassen übertragen, die Produkte mit größeren Füllstoffmengen zulassen und daher neben einem optimierten Fluss eine bessere Wärmeleitfähigkeit bieten. Des Weiteren produziert Electrolube neben Wärmemanagement-Materialien auch eine Reihe anderer Produkte, wie Schutzlacke und Gießharze in transparenter Form und für Anwendungen, bei denen der Schutz der gesamten LED gewünscht ist, und wir weisen noch einmal auf die Bedeutung der kontinuierlichen Weiterentwicklung in der Formulierung chemischer Produkte hin, um den schnell steigenden und strengen Anforderungen dieser populären Technologie nachkommen zu können.

Jade Bridges
European Technical Support Specialist
Electrolube Ltd
jade.bridges@electrolube.com