Wärmemanagement moderner LED-Systeme in Industrie, Sport und Industrie

In der modernen Lichttechnik für anspruchsvolle Einsatzorte wie Stadien, Industriehallen oder Indoor-Gewächshäuser ist das thermische Management der entscheidende Faktor für die Systemeffizienz und die kalkulierte Nutzlebensdauer. Anders als herkömmliche Leuchtmittel geben Leistungs-LEDs nahezu keine Wärme über Infrarotstrahlung nach vorne ab. Stattdessen wandeln sie – je nach Lichtfarbe und Effizienz – zwischen 60 % und 70 % der aufgenommenen elektrischen Energie in Wärme um, die direkt am mikroskopisch kleinen Halbleiterchip, der sogenannten Sperrschicht (Junction), entsteht.

In Stadien und bei der industriellen Hochmastbeleuchtung werden oft Leistungen von mehreren hundert bis tausend Watt auf engstem Raum konzentriert. In Gewächshäusern kommen erschwerend hohe Umgebungstemperaturen und eine hohe Luftfeuchtigkeit hinzu, die den Einsatz von aktiven Kühlelementen wie Lüftern aus Wartungs- und Korrosionsgründen oft verbieten. Steigt die Temperatur an der Sperrschicht über die vom Hersteller definierten Grenzwerte, sinkt nicht nur die Quantenausbeute, was zu einem direkten Helligkeitsverlust führt, sondern es beschleunigen sich auch Diffusionsprozesse und thermische Alterungsprozesse innerhalb des Halbleiters, wodurch die Lebensdauer massiv reduziert wird.

Um die Wärme effektiv abzuführen, muss der gesamte Wärmepfad optimiert werden. Physikalisch lässt sich dieser Pfad als eine Serienschaltung thermischer Widerstände R(th) betrachten. Der Weg beginnt am Halbleiterchip und führt über das Gehäuse (Package) zur Leiterplatte, von dort durch ein thermisches Interfacematerial (TIM) zum metallischen (oder Kunststoff-) Kühlkörper und schließlich an die Umgebungsluft. Der Gesamtwiderstand ergibt sich aus der Summe der Einzelwiderstände:

R(th, total) = R(th, junction-to-case) + R(th, interface) + R(th, heatsink-to-ambient)

Da der innere thermische Widerstand der LED vom Hersteller vorgegeben ist, konzentriert sich die Optimierung des Wärmepfades auf die Übergangsstellen.

Von dem Halbleiter-Die zur Leiterplatte

Ein kritischer Engpass im Wärmepfad ist die Schnittstelle zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper. Da Metalloberflächen auf mikroskopischer Ebene niemals ideal glatt sind, entstehen beim Zusammenfügen winzige Lufteinschlüsse (Kavitäten). Luft besitzt eine extrem geringe Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,026 W/(m·K) und wirkt wie ein Isolator. Um diesen thermischen Übergangswiderstand zu minimieren, werden Wärmeleitmedien eingesetzt, die die Luft verdrängen. In leistungsstarken Stadionflutern greift man hierzu oft auf zuverlässig dosierbare Phase-Change-Materialien zurück. Diese verhalten sich bei Raumtemperatur wie feste Folien (Lieferform), werden jedoch bei Betriebstemperatur flüssig-viskos. Dadurch benetzen sie die Oberflächenstrukturen vollständig (Luft wird verdrängt) und erreichen eine minimale Schichtdicke, was den thermischen Widerstand nach der Formel R(th) = d / (λ * A) (mit Schichtdicke d und spezifischer Leitfähigkeit λ) massiv reduziert.

In Industrieanlagen und Gewächshäusern spielt zudem die elektrische Sicherheit eine zentrale Rolle. Hier müssen die Wärmeleitmedien oft gleichzeitig eine hohe dielektrische Festigkeit aufweisen, um Kurzschlüsse zum Gehäuse zu verhindern. Hochgefüllte Silikonfolien oder keramische Plättchen aus Aluminiumoxid kombinieren diese elektrische Isolation mit einer - für übliche Isolationsprodukte - hohen Wärmeleitfähigkeit. In Gewächshäusern muß man zudem darauf achten, dass die Materialien resistent gegen Abbau durch Feuchtigkeit sind, um z.B. eine chemische Degradation der LED-Optiken zu vermeiden.

Die Wahl des Schaltungsträgers bestimmt ebenfalls maßgeblich über die Effizienz von Leistungs-LEDs in Stadien, Industrieanlagen oder Gewächshäusern. Die verwendete Leiterplatte ist ein entscheidender Hebel zur Senkung des thermischen Gesamtwiderstands. Hierbei stehen sich primär metallkernbasierte Leiterplatten (MCPCB) und keramische Substrate gegenüber.

Metallkern-Leiterplatten (MCPCB): Die am weitesten verbreitete Lösung für Hochleistungs-LEDs im öffentlichen Raum ist die MCPCB. Sie besteht aus einer Aluminium- oder Kupferplatte, auf die eine dünne Isolationsschicht (Dielektrikum) und darauf die Kupferleitbahnen aufgebracht sind. Da herkömmliches Epoxidharz (FR4) ein thermischer Isolator ist, wird dieses Harz mit keramischen Mikropartikeln gefüllt, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen. Dennoch bleibt diese Schicht der „Flaschenhals“ im Wärmepfad. Um den Widerstand zu senken, wird das Dielektrikum so dünn wie möglich ausgeführt (oft nur 50 bis 100 µm), wobei stets die elektrische Durchschlagsfestigkeit gegen das Metallgehäuse gewährleistet bleiben muss. Der Vorteil dieser Technologie liegt in der mechanischen Stabilität und der kosteneffizienten Fertigung großer Flächen, wie sie für die ausgedehnten LED-Module in Straßenzügen oder Industriehallen benötigt werden.

Keramische Substrate (Al2O3 / AlN): In High-End-Bereichen wie der Stadionbeleuchtung oder bei extrem kompakten Strahlern in Indoor-Gewächshäusern kommen oft keramische Substrate zum Einsatz. Hier dienen Materialien wie Aluminiumoxid (Al2O3) oder das noch leistungsfähigere Aluminiumnitrid (AlN) direkt als Schaltungsträger.

Der entscheidende Vorteil der Keramik ist, dass sie intrinsisch isolierend und gleichzeitig wärmeleitend ist. Während ein MCPCB-Dielektrikum oft nur Leitfähigkeiten von 1 bis 8 W/(m·K) erreicht, bietet Aluminiumnitrid Werte von über 170 W/(m·K). Da keine separate Isolationsschicht benötigt wird, entfällt ein massiver thermischer Widerstand im Pfad komplett. Dies erlaubt es, die LED-Chips mit deutlich höheren Strömen zu betreiben, ohne dass die Sperrschichttemperatur kritische Werte erreicht. Zudem ist der thermische Ausdehnungskoeffizient von Keramik wesentlich näher an dem des LED-Halbleiters (Silizium/Galliumnitrid) als bei Metallen. Dies reduziert den mechanischen Stress auf die Lötstellen bei den häufigen Schaltzyklen in Gewächshäusern oder bei der dynamischen Stadionbeleuchtung.

Von der Leiterplatte zum Kühlkörper - die thermische Anbindung

Den Abschluss der Kühlkette bildet der Kühlkörper, der mittels Konfektion die Wärmeabgabe an die Umgebung übernimmt. In der Außenbeleuchtung und in Gewächshäusern wird dieser Prozess meist passiv, also ohne forcierte Lüftung, gestaltet. Die Gestaltung der Kühlrippen und deren Anordnung tragen in diesem Umfeld wesentlich zur Effizienz der Wärmeabgabe bei. Eine optimierte Oberflächenbeschichtung kann zudem den Emissionsgrad erhöhen und so auch den Anteil der Wärmeabstrahlung im langwelligen Infrarotbereich steigern.

Eine innovative Weiterentwicklung im Wärmepfad stellt der Einsatz von wärmeleitenden Kunststoffen (z.B. Makrolon® TC von Covestro) für das Leuchtengehäuse dar. Während klassische Kunststoffe thermische Isolatoren sind, werden diese speziellen Thermoplaste mit hohen Anteilen an wärmeleitenden Füllstoffen modifiziert. Dies ermöglicht es, das Gehäuse als aktiven Teil des Kühlkörpers zu nutzen. Da diese Kunststoffe im Spritzgussverfahren verarbeitet werden, erlauben sie komplexe Geometrien zur Oberflächenvergrößerung, die mit Aluminiumdruckguss nur schwer oder unter hohem Gewicht realisierbar wären. Technisch gesehen kombinieren sie eine moderate Wärmeleitfähigkeit von ca. 1 bis ca. 20 W/m·K mit dem Vorteil der Korrosionsbeständigkeit und einer signifikanten Gewichtsreduzierung, was besonders bei der Installation von großflächigen Industrie- oder Straßenleuchten die statischen Anforderungen an die Halterungen senkt.

Doch auch der beste Kühlkörper würde wenig zur Entwärmung beitragen, würde er nicht thermisch optimal an die Leiterplatte angebunden werden. Da in diesem Bereich größere Flächen und größere Bauteile zum Einsatz kommen, spielen Themen wie Fertigungstoleranzen und Verwölbungen durch thermischen Verzug eine größere Rolle. Die entsprechenden wärmeleitenden Produkte müssen also nicht nur thermisch und elektrisch einen Beitrag leisten, sondern auch ausgleichend auf mechanische Variablen reagieren können.

Interface-Produkte für die Wärmeleitung

Bei der Auswahl wärmeleitender Materialien für die Leistungselektronik und LED-Technik ist die Wärmeleitfähigkeit (λ), gemessen in Watt pro Meter und Kelvin (K), die zentrale Kenngröße neben der Fähigkeit, Oberflächen vollständig zu benetzen. In der Praxis der thermischen Anbindung haben sich verschiedene Produktgruppen etabliert, die jeweils spezifische physikalische Eigenschaften aufweisen.

Wärmeleitpasten bilden die klassische Lösung für sehr dünne Spaltmaße. Sie bestehen meist aus Silikonölen, die mit keramischen oder metallischen Partikeln versetzt sind. Ihre Leitfähigkeit liegt typischerweise in einem Bereich von 1 bis 10 W/m·K. Während sie Unebenheiten hervorragend ausgleichen, bieten sie im Gegensatz zu anderen Produkten oft keine zuverlässige elektrische Isolation und nahezu keinen Ausgleich mechanischer Toleranzen.

Wärmeleitpads und Gap-Filler kommen zum Einsatz, wenn größere mechanische Toleranzen oder Bauteilhöhen überbrückt werden müssen. Diese weichen, elastischen Materialien erreichen Leitfähigkeiten von etwa 1 bis 8 W/m·K. Ihr Vorteil liegt in der einfachen Handhabung und der meist sehr hohen elektrischen Isolationswirkung, was sie ideal für die rückseitige Anbindung von LED-Modulen an Metallgehäuse macht.

Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials) nehmen eine Sonderstellung ein. Im kalten Zustand sind sie fest und handhabbar wie ein Pad, verflüssigen sich jedoch bei Betriebstemperaturen ab ca. 50°C. In diesem Zustand erreichen sie eine extrem geringe Schichtdicke bei einer Materialleitfähigkeit von 3 bis 5 W/m·K, was zu einem sehr geringen thermischen Gesamtwiderstand führt.

Wärmeleitfolien auf Silikon- oder Kaptonbasis sind deutlich dünner und härter als Gap-Filler. Sie dienen primär der elektrischen Isolation bei gleichzeitigem Wärmetransport und liegen meist im Bereich von 0,5 bis 3,5 W/m·K - oft mit ein- oder beidseitiger wärmeleitender Beschichtung für eine bessere Oberflächenbenetzung. In spezialisierten Hochleistungsanwendungen werden auch (elektrisch leitende) Graphitfolien eingesetzt, die eine außergewöhnliche anisotrope Leitfähigkeit aufweisen: In der horizontalen Ebene (X-Y-Richtung) können sie Werte von 150 bis zu 1.500 W/m·K erreichen, während sie vertikal deutlich weniger leiten.

Als technisches Maximum für Schaltungsträger gelten technische Keramiken. Während das gängige Aluminiumoxid (Al2O3) bei ca. 24 bis 30 W/m·K liegt, ermöglicht Aluminiumnitrid (AlN) Spitzenwerte von 170 bis 230 W/m·K. Diese Materialien fungieren nicht nur als Interface, sondern als tragendes Substrat für die LED-Chips selbst.

Moderne LEDs senken den Energieverbrauch drastisch, konzentrieren die entstehende Hitze jedoch auf kleinstem Raum. Durch die konsequente Minimierung jedes einzelnen Widerstands im Wärmepfad gelingt es, die Betriebstemperatur stabil zu halten und so die heute üblichen 50.000 bis 100.000 Betriebsstunden moderner Hochleistungs-LEDs in der Praxis abzusichern.