Dank ihres technischen Aufbaus sind LEDs langlebiger und widerstandsfähiger als viele andere Leuchtmittel. Manche LEDs gewährleisten Betriebszeiten von mehr als 50.000 Stunden ohne Leuchtkraftverlust. Aus diesem Grund sind sie heute die erste Wahl für Einsatzgebiete, bei denen es auf Zuverlässigkeit und Langlebigkeit ankommt. Aber auch in anderen Bereichen setzen sich die energieeffizienten Powerpakete zunehmend durch. Je nach Aufbau, verwendetem Material, Wahl der Komponenten und Produktionsmethode decken LEDs fast jeden Bedarf ab. Das Spektrum reicht von extrem robusten Premium-Hochleistungs-LEDs mit besonders langer Lebensdauer bis zu kostengünstigen Modellen für preisbewusste Marktsegmente.
Den preisbewussten Consumer-Markt bedienen zum Beispiel LED-Retrofit-Lampen. Da sie im Innenbereich eingesetzt werden, müssen sie nicht so robust sein wie LEDs für den Außenbereich. Um den Preis und die Leistung konkurrenzfähig gegenüber traditionellen Leuchtmitteln gestalten zu können, werden für diese Lampen üblicherweise LEDs mit einer Lebensdauer von 15.000 bis 25.000 Stunden und einem Fehlerkriterium von L70/B50 gewählt. Eine typische LED für diese Anwendung ist die Duris E 2835. Bei der professionellen Straßenbeleuchtung kommt es hingegen darauf an, dass die Leuchtquelle widrigsten Umwelteinflüssen standhält, vibrationsfest und absolut zuverlässig ist. Schließlich spielt sie eine wesentliche Rolle für die Verkehrssicherheit. Zudem muss das eingesetzte Leuchtmittel besonders langlebig sein, da seine Wartung sehr kostenintensiv ist. Die Lebensdaueranforderungen in diesem Segment liegen bei 50.000 Stunden und mehr, mit einem Ausfallkriterium von L80/B50 oder gar L90/B50. Eine typische LED für diese Zwecke ist die Duris P 8.
Chip oder Chips?
Die beiden Beispiele zeigen, wie wichtig es ist, unterschiedliche LED-Typen entsprechend der vorgegebenen Anforderungen zu optimieren. Zur Abstimmung der eingesetzten Materialien und Verfahren bedarf es eines großen Know-hows. Ein Blick ins detaillierte Innenleben einer LED zeigt, was alles beachtet werden muss. Beim Aufbau einer LED wird zwischen Single-, Zwei- oder Multichip-LEDs sowie Chip-on-Board (COB) mit mehr als 100 Einzelchips unterschieden. Das Material der Chips ist ausschlaggebend dafür, wie viel Licht abgegeben wird und welche Wellenlänge das emittierte Licht hat. Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) wird für blaue und grüne LEDs verwendet, Indium-Gallium-Aluminium-Phosphid (InGaAlP) hingegen für gelbe und rote LEDs. Die Chips innerhalb einer LED können parallel oder in Reihe geschaltet sein.
Kühlung und thermischer Widerstand
Für den Licht-Output ist die Temperatur des Chips von zentraler Bedeutung. Je besser die Kühlung der LED, desto länger ihre Lebensdauer. Die Kühlung erfolgt hauptsächlich über die Leiterplatte, auf der die LED montiert ist. Entscheidend ist das Lötpad-Design. Je größer die wärmeleitende Fläche des Pads, desto besser die Kühlung. Wichtig ist auch das Gehäusematerial beziehungsweise das Grundsubstrat der LED. Hier werden überwiegend zwei Materialien eingesetzt:
LEDs aus Keramik sind thermisch sehr stabil und verfügen über eine hohe Robustheit. Dafür sind sie aber kostenintensiver.
LEDs aus Kunststoff, zum Beispiel Epoxy, sind günstiger, allerdings (noch) nicht so stabil wie ihre Keramikkollegen. Ihre thermische Stabilität wird jedoch stetig verbessert.
Der thermische Widerstand ist ein Maß dafür, wie gut Wärme von einem Material zu einem anderen übertragen wird. Je kleiner der Widerstand, desto schneller erfolgt die Wärmeleitung. Für das LED-Design sind zwei thermische Widerstände wichtig:
beim Übergang vom Chip auf die LED-Lötstelle
beim Übergang von der LED-Lötstelle zur Leiterplatte
An diesen Stellen müssen die Materialien optimal aufeinander abgestimmt, beziehungsweise über Hilfsstoffe wie Lötzinn gut miteinander verbunden werden. Zusätzlich kann das gesamte Modul, auf dem die LEDs aufgebracht sind, mit weiteren Kühlsystemen ausgestattet werden. Die Kühlung kann passiv, etwa durch Kühlkörper aus Aluminium oder anderen Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit, oder aktiv, über ein Kühlsystem mit Lüftern oder Flüssigkeiten, erfolgen.
Sicherer Kontakt
Damit die LED Licht erzeugt, muss über die Kontakte, die Anode und Kathode, Strom und eine bestimmte Spannung an die Halbleiterdiode angelegt werden. Die Kontaktierung erfolgt meist über ein großes Pad aus Metall, zum Beispiel Gold, für die Anode und einen Bonddraht für die Kathode. Die Qualität des Bonddrahts ist entscheidend für die Robustheit der LED. Der Draht muss dick genug sein, um den definierten Maximalstrom transportieren zu können, ohne dabei zu schmelzen. Sein Durchmesser darf keine starke Variation aufweisen, da in dünneren Abschnitten der Drahtwiderstand abnehmen würde und somit Schwachstellen im System entstünden. An der Kontaktstelle zwischen Draht und Chip muss die Verbindung zwischen den zwei verschiedenen Materialien so beschaffen sein, dass sie sich auch bei Maximalbelastung nicht ablöst. Dies wird durch eine saubere Ausführung und eine optimale Größe der Kontaktstelle erreicht.
Weißes Licht gefällig?
Ein LED Chip strahlt nur ein sehr schmalbandiges Licht aus. Um eine weiße LED zu erhalten, muss dieses Licht konvertiert werden. Dazu wird ein Leuchtstoff als Konverter eingesetzt. Der Leuchtstoff wird auch Phosphor genannt, obwohl nicht alle Leuchtstoffe auf Phosphorbasis sind. Typische Leuchtstoffmaterialien sind Chlorosilikate, Granate oder Nitride. Durch Kombination verschiedener Leuchtstoffe und Variation ihrer Konzentrationen kann das Spektrum der LED bezüglich verschiedener Parameter, wie CRI, FCI oder TLCI, optimiert werden.
Die Art, wie der Leuchtstoff auf den Chip aufgebracht wird, ist für die Robustheit einer LED entscheidend. Es werden hauptsächlich vier Verfahren genutzt:
Chip Level Konversion
Volumenkonversion (Sedimentation)
Spray Coating
Volumenkonversion (Molding)
Aber auch die Robustheit der Leuchtstoffe selbst spielt eine wichtige Rolle. Manche Leuchtstoffe sind robuster als andere. Die Robustheit hängt vor allem von der Temperatur ab, die der Leuchtstoff während des Betriebs erreicht. Wird er zu heiß, kann das Konvertergefüge reißen oder die Konverter zerfallen in ihre Bestandteile. Bei instabilen Konvertern kann es außerdem vorkommen, dass diese mit anderen Stoffen im System reagieren und dabei ihre Zusammensetzung verändern. In der Folge verändern sich der Farbort und weitere Lichtqualitätsparameter. Auch Leuchtstoffe haben eine begrenzte Lebensdauer. Mit der Zeit wandelt sich ihre Struktur, und sie sind nicht mehr so leuchtstark wie zu Beginn ihrer Lebenszeit. Demnach ist die richtige Wahl des Leuchtstoffs entscheidend für die Lebensdauer einer LED.
Optische Auskopplung
Um das Licht gezielt aus der LED auszukoppeln, kann diese mit einer sekundären Optik versehen werden. Das Material der Optik sollte bestmöglich auf das spätere Einsatzgebiet abgestimmt sein. Beispielsweise muss es robust gegenüber Feuchtigkeit, mechanischer Belastung oder bestimmten Chemikalien sein. Bei der Materialauswahl für die Linse ist der Brechungsindex von großer Bedeutung. Er sorgt dafür, dass das Licht der LED erst optimal vom Chip beziehungsweise Konverter in die Optik eingekoppelt und anschließend ohne große Verluste an die Umgebung abgegeben wird. Auch die Form der Optik ist wichtig, da das Licht je nach Einfallswinkel an der Grenzfläche des optischen Materials entweder transmittiert oder reflektiert wird. LEDs werden mit und ohne Optik angeboten. Der Vorteil einer LED mit Optik besteht darin, dass das Licht besser aus der LED ausgekoppelt und gezielt in bestimmte Richtungen abgestrahlt werden kann. Bei LEDs ohne Optik wird das Licht über die gesamte Konverteroberfläche ausgestrahlt und kann anschließend durch Sekundäroptiken geformt werden.
Stetige Weiterentwicklung
Neben ihrem technischen Aufbau haben das Zusammenspiel der Materialien, die Wahl und mechanische Verarbeitung der Komponenten sowie das elektrische und thermische Design großen Einfluss auf die Lebensdauer und Widerstandsfähigkeit einer LED. Beim Finetuning dieser Kriterien bedarf es großer Erfahrung und technischer Expertise. Der LED-Hersteller Osram Opto Semiconductors investiert deshalb seit Jahren in die Forschung und Weiterentwicklung von LEDs.
