Obwohl LEDs wesentlich effizienter als herkömmliche Beleuchtungsarten sind, geben sie dennoch etwas Wärme ab. Diese Wärme kann sich nachteilig auf die LED auswirken, sodass sie abgeführt werden muss, um sicherzustellen, dass die eigentlichen Vorteile dieser Technik gewahrt bleiben. 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 auch einen nützlichen Effekt auf die Eigenschaften der LED haben. Werden jedoch übermäßige Temperaturen erreicht, 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.
Prinzipien der Wärmeübertragung
Strahlung (die mithilfe eines elektromagnetischen Feldes übertragene Wärme) hat in der Regel bei der Wärmeübertragung der LED-Systeme einen sehr geringen Einfluss, da die Flächen relativ klein sind. Hier sind eher die Leitfähigkeit und die Wärmekonvektion von Bedeutung: Die Leitfähigkeit (per direktem Kontakt mit einer festen Masse übertragene Wärme - Fouriersches Gesetz) bezieht sich auf die Übertragung von Wärme zwischen der LED und dem Kühlkörper, wobei die Wärmekonvektion (Übertragung von Wärme mithilfe der Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen - Newtonsches Gesetz) 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, entspricht das Maß des Wärmeverlustes pro Sekunde der innerhalb der Komponente erzeugten Wärme. Hierdurch steigt das Maß der Abgabe von Wärme mit dem Umfang der Oberfläche, da die Abgabe von Wärme einer Komponente an ihre Umgebung über die Oberfläche erfolgt. 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. Es gibt viele Möglichkeiten, das Wärmemanagement von LED-Produkten zu verbessern. Ein Lösungsansatz sind thermische Verbundstoffe wie Wärmeleitmaterialien, um Luftspalte zwischen den Kontaktflächen zu beseitigen und so die Effizienz der Wärmeableitung zu verbessern. Solche Materialien wurden entwickelt, um die Spalte zwischen dem Gerät und dem Kühlkörper auszufüllen und 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 zum Beispiel 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 so genannte 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 Produkte
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 zum nächsten Aspekt bei der Produktwahl, da einige auf Silikon basierende oder silikonhaltige Produkte für bestimmte Anwendungen nicht zugelassen sein könnten. Der Grund können verschiedene 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 werden silikonhaltige Produkte ausschließlich dann eingesetzt, wenn niedermolekulare Komponenten überwacht werden und sich auf ein absolutes Minimum beschränken.
Wärmeleitende Gießharze
Eine weitere Option sind wärmeleitende Gießharze. 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 Wärme vom Gerät weg. Solche Produkte lassen sich verwenden, um LEDs und die sie tragenden Leiterplatten von der Rückseite her zu vergießen und darüber hinaus die Leiterplatte auch mit einem Schutzüberzug zu versehen. Diese Gießharze enthalten wärmeleitende Füllstoffe, jedoch können das Basisharz, der Härter und andere Zusätze im Hinblick auf zahlreiche Optionen ausgetauscht und gegebenenfalls 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.Ungeachtet der Art des für das Wärmemanagement gewählten Produktes gilt es, einige wichtige Eigenschaften zu berücksichtigen. Das können 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 befinden 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.
Wärmeübertragung maximieren
Der Wärmewiderstand, gemessen in Kxm2/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 haben als die zur Anbindung verwendete Wärmeleitpaste. Insofern ist es wichtig, dass nur eine dünne Schicht dieser Paste verwendet wird; eine dickere Schicht erhöht in diesem Fall den Wärmewiderstand. Aus dem Grund ermöglichen geringere Einzelschichtstärken und höhere spezifische Wärmeleitfähigkeiten die bestmögliche Verbesserung der Wärmeübertragung. In einigen Fällen kann sich das Verwenden eines Materials mit einer höheren spezifischen thermischen Leitfähigkeit nachteilig auf den Kontaktwiderstand auswirken, sodass keine Verbesserung erreicht wird. Die Tabelle auf Seite 28 gibt Hinweise zu den Unterschieden zwischen den Wärmeleitmaterialien, und inwieweit die Kombination von Eigenschaften eine größere Bedeutung als nur ein Wert allein hat.Stützt man sich bei der Produktwahl nur auf die spezifischen thermischen Leitfähigkeitswerte, ist die Anzahl der verschiedenen zur Verfügung stehenden Messtechniken ein weiterer Aspekt. Werden bei demselben Produkt unterschiedliche Testverfahren oder -parameter angewandt, 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. 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.
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