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Thermische Interface Materialien für LEDs Wider den Hitzetod

15.06.2018

Eine passende Kühlung ist von zentraler Bedeutung für LEDs. Sie verhindert nicht nur Ausfälle aufgrund von Überhitzung, sondern erhöht auch die Lebensdauer dramatisch. Eine entscheidende Rolle kommt dabei den thermischen Interface Materialien (TIM) zu. Von ihnen gibt es mittlerweile eine große Auswahl. Aber nicht alle von ihnen eignen sich für jede Anwendung - ein Überblick über die gängigen Materialien und ihre Vor- und Nachteile.

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Den meisten LED-Anwendern dürfte mittlerweile bekannt sein, dass Halbleiter den größten Teil der elektrischen Leistung als Verlustleistung in Wärme umsetzen. Dennoch wird dem effektiven Wärmepfad immer noch zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Viele Entwickler gehen davon aus, dass sich LEDs nicht stark erwärmen und ein nicht ausreichendes Wärmemanagement unmittelbar zu einem Totalausfall führen kann.

Das Licht selbst enthält tatsächlich keine Infrarot-Anteile und setzt somit auch keine wirkliche spürbare Wärme frei – bei dessen Erzeugung entsteht aber sehr wohl Wärme. Bei der Entwicklung von Beleuchtungsanwendungen bedingt der Einsatz von lichtemittierenden Dioden daher ein optimales thermisches Management. Nur damit sind die gewünschten Eigenschaften tatsächlich erreichbar.

Die Lichtemission einer LED steigt durch eine höhere elektrische Leistung ihrer Energiequelle. Das erhöht aber zwangsläufig auch die in der LED transformierte Joule‘sche Wärme. Steigt nun diese Temperatur signifikant an, sinkt die Lebensdauer. LED-Hersteller erreichen mittlerweile durch besondere Bauformen der LED und der Platinen eine sehr effektive Wärmeabfuhr vom Chip. Damit ermöglichen sie eine höhere Lichtausbeute, ohne die Lebensdauer signifikant zu verringern. Hohe oder stark schwankende Umgebungstemperaturen, in Verbindung mit einem schlechten Wärmepfad, können diese erreichte Lebensdauer aber wieder erheblich verkürzen.

Lebensdauer sinkt von 50.000 auf 100 Stunden

LEDs sollten vom Anwender deshalb stets mit einem Sicherheitsabstand von zirka 25 bis 30 Prozent unterhalb der laut Hersteller maximal zulässigen Sperrschichttemperatur (Tjmax) betrieben werden. Eine typische Angabe dafür ist zum Beispiel Tjmax = 120 °C. Die Sperrschicht im Halbleiter ist für Messungen in der Regel schwer zugänglich. Deshalb wird stattdessen meist die Arbeitstemperatur Ts am Lötkontakt, dem sogenannten Solder Point, herangezogen und die Differenz zur Sperrschichttemperatur geschätzt. Einige Hersteller haben inzwischen aber auch an definierten Stellen sogenannte Messpunkte installiert, was die Einschätzung erleichtert. Wie weit die Temperatur genau abweichen sollte, gibt der Korrekturwert Tc an. Er ergibt sich aus dem Wärmewiderstand Rth der LED, sowie der Vorwärtsspannung UF und dem Vorwärtsstrom IF. Eine Beispielrechnung für eine einfache 4-W-LED bei 25 °C Umgebungstemperatur zeigt Abbildung 1.

Eine für Tjmax = 120 °C spezifizierte LED darf somit höchstens bei einer maximalen Arbeitstemperatur von 88,75 °C betrieben werden. Besser sind aber 30 bis 35 °C darunter. Steigt bei LEDs mittlerer Helligkeitsgruppen die Arbeitstemperatur Ts von 25 auf 85 °C, fällt die mittlere Lebensdauer bereits auf ein Fünftel, also von etwa 50.000 auf nur mehr 10.000 Betriebsstunden. Im grenzwertigen Einsatz bei Ts ≈ 150 °C und Tj ≈ 175 °C bricht die mittlere Lebensdauer sogar auf nur noch 100 Betriebsstunden ein.

Ein wichtiger Parameter bei der Entwicklung des thermischen Managements einer LED ist ihr Wärmewiderstand (Rth), der unabhängig von den Umgebungsbedingungen angegeben wird. Er nimmt ab, je größer die Kontaktfläche A, je höher die thermische Leitfähigkeit k und je kleiner die Schichtdicke d ist (Abbildung 2).

Der thermische Gesamtübergangswiderstand (Rth(total)) wird meist in der Einheit K/W oder °C/W angegeben und setzt sich zusammen aus Rth(JS), Rth(SB) und Rth(BA) (Abbildung 3).

Dabei stehen die Indizes J, S, B und A für Sperrschicht (Junction), Lötstelle (Solder Point), Grundplatte (Board) und Umgebung (Ambient). Der Entwickler muss nicht nur die Wärmeübergangswiderstände Rth(JS) innerhalb der LED und Rth(BA) der LED zur Umgebung kennen, sondern auch den thermischen Kontaktwiderstand Rth(SB) zwischen Lötstelle und Platine. Um diesen Widerstand gering zu halten und unabhängig von der Bearbeitungsqualität der Oberflächen optimale Kontaktierung zu gewährleisten, wird zwischen Grundplatte und Wärmesenke eine dünne Schicht eines sehr gut wärmeleitenden Thermal-Interface-Materials (TIM) eingebracht. Wenn ein Aufbau diese Parameter berücksichtigt, kann er die Arbeitstemperatur einhalten, ohne die Sperrschichttemperatur zu überschreiten.

In der Praxis treten im Leuchtmittelaufbau aber immer erhebliche baugruppenbezogene mechanische Abweichungen auf. Um diese zu berücksichtigen, müssen weitere Faktoren ermittelt werden. Diese Werte muss man in den thermischen Kontaktwiderstand mit einbeziehen. Sie haben wesentlichen Einfluss auf den Wärmefluss zwischen den beteiligten Oberflächen. Diese weisen immer eine Rauheit auf. Die in den Unebenheiten eingeschlossene Luft verschlechtert mit ihrem sehr geringen thermischen Leitwert den Wärmeübergang und verringert die effektive Kontaktfläche. Der Wärmewiderstand Rth(Kontakt) ist immer abhängig von der tatsächlichen Fläche, der Oberflächengüte, der Ebenheit, der mechanischen Anpassungsfähigkeit des Wärmeleitmaterials und nicht zu vergessen dem Druck. In der Praxis sind die Abmessungen der Kontaktflächen meist durch die Komponentengehäuse vorgegeben. Die Mindestdicke des Wärmeleitmaterials wird beispielsweise bestimmt durch seine Durchschlagfestigkeit und durch Unebenheiten oder Grate, die es ausgleichen muss.

Welches Wärmeleitmaterial ist am geeignetsten?

Der Schlüssel zur richtigen TIM-Auswahl liegt in der guten Kenntnis der Elektronik der Anwendung. Folgende Faktoren sollten bekannt sein: thermische Impedanz und Leitfähigkeit, Spaltgröße zwischen der Wärmequelle und dem Kühler, Ebenheit der Oberflächen, elektrische Isolationsfähigkeit, Kompressibilität, sicherer Temperaturbereich, UL-Entflammbarkeit, Anteil von Silikonen und die Ausgasungsrate, Verarbeitbarkeit sowie Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit.

Bei der Auswahl des passenden TIMs sind auch die Hersteller von LEDs behilflich. Sie veröffentlichen die Ergebnisse ihrer Langzeittestreihen. Außerdem empfehlen sie unterschiedliche Thermal-Interface-Materialien und spezifizieren diese in Datenblättern. Die ermittelten Laborwerte stimmen allerdings oft nicht mit den tatsächlichen Ergebnissen überein, die bespielsweise erreicht werden, wenn unterschiedliche, mechanisch verursachte Summentoleranzen auftreten. Fest steht, dass die heutigen aktuell am Markt erhältlichen LEDs über eine sehr hohe Leistungsdichte verfügen, die tatsächlichen Anbindungsflächen sich jedoch weiter reduzieren. Nicht selten muss mit einer reinen Kontaktfläche von weniger als 200 mm² kalkuliert werden. Keine wirklich optimale Voraussetzung, wenn sehr hohe Verlustleistung schnellstens effizient abgeführt werden muss. Hier können in der Regel nur noch reine Interfacematerialien Einsatz finden, die über ein Schichtdicke von < 60µm verfügen und welche nach Druckbeaufschlagung einen Rth von < 0,05°K/W erreichen.

Wärmeleitpaste

Wärmeleitpasten werden von vielen Entwicklern seit Jahrzehnten als das bestgeeignetste TIM gesehen. Die häufigsten Argumente für sie sind ihre angeblich geringen Kosten und, dass sie sich bei Bedarf sehr schnell und auch in großen Mengen auftragen lassen. Generell ist Wärmeleitpaste kein schlechtes TIM. Sie hat sich in vielen Anwendungen bewährt. Der Einsatz von Wärmeleitpaste bringt aber nur dann Vorteile, wenn gewissen Parameter eingehalten werden. Bereits 2008 haben Entwickler von Tyco nach aufwendigen Langzeittestreihen bei IGBT-Modulen ohne Kupferbodenplatte festgestellt, dass bei einer garantierten homogenen Schichtdicke der Wärmeleitpaste von 20 μm der Rth bei 1,3 K/W liegt. Bei einer nicht homogen aufgetragenen Schichtdicke von 150 μm beträgt er hingegen 4,0 K/W. Diese immense Steigerung um 300 Prozent hat einen fatalen Einfluss auf die Wärmeableitung des Moduls. Werden Wärmeleitpasten bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Lebensdauer verwendet, ist zudem ein speziell abgestimmtes Vorgehen beim Design und der Materialkombinationen des Gesamtsystems notwendig. Deshalb ist bei allen Leistungsmodulen egal ob IGBT oder LED eine genaue Kontrolle der Schichtdicke der Wärmeleitpaste sehr wichtig. Weniger ist dabei oft mehr.

Grafitfolien

Grafit hat eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, sowie bei einem Reinheitsgrad von 97 bis 99 Prozent eine hohe Temperaturbeständigkeit bis 450 °C. Hochleistungsgrafite weisen sogar eine Temperaturfestigkeit bis 650 °C auf. Grafit eignet sich besser als die meisten anderen Materialien zur Entwärmung von LEDs. Da diese Art von Grafitfolien aus kompaktierten Flocken bestehen, ist ihre Wärmeleitung anisotrop: Sie bewirken eine besonders schnelle Wärmespreizung in X-Y-Richtung, aber auch eine effiziente Wärmeableitung in Z-Richtung.

Synthetische Graphen- und Grafitfolien

In jüngerer Zeit gewinnen auch immer öfter sogenannte synthetische Graphenfolien an Bedeutung für die effiziente Wärmepfadgestaltung bei High-Power-LEDs. Diese Produktvariante verfügt ebenfalls über eine gewisse Materialweichheit, ist somit leicht kompressibel. Gegenüber den herkömmlichen Grafitfolien weise die synthetischen Graphene aber eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit in die anisotrope Richtung aus. Zudem sind Schichtdicken von weniger als 80 µm möglich und am Markt auch erhältlich. Mit solchen Schichtdicken können je nach Druckbeaufschlagung und Performance der Kontaktflächen Übergangswiderstände von unter 0,04 K/W pro in² erreicht werden. Preislich sind diese Produkte zwar zurzeit noch etwas teurer, aber es entstehen immer mehr Anbieter, was zu einer Preisreduzierung führen wird.

Der sinnvolle Einsatzbereich dieser Interface-Materialien sind Anwendungen, die Wärme effizient und schnell von Punktquellen (Hotspot) ableiten müssen. Reine Grafit- und synthetische Graphenfolien sind allerdings nicht elektrisch isolierend und können nur minimale Oberflächenunebenheiten, wie leichte Kratzer, ausgleichen. Voraussetzung für einen optimalen Wärmefluss ist daher eine entsprechend hohe Oberflächengüte.

Diese Materialien können in vielerlei Anlieferungsformaten vom Anwender geordert werden. Es gibt sie als vorkonfektioniertes Rollenformat, als kundenspezifischen Zuschnitt, Kiss-cut und bei einseitig haftenden Varianten auch in loser Formation. Bei einseitig haftenden Flächen muss aber eine Verschlechterung des Übergangswiderstandes mit einbezogen werden. Hier sollte eine Erhöhung des Rth(Kontakt) um 10 bis 15 Prozent mit einkalkuliert werden.

Polyimidfolien

Polyimidfolien werden vorwiegend zur elektrischen Isolation in Bauelementen eingesetzt. Sie weisen eine sehr hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit auf und sind mechanisch zäh und flexibel. Trotz ihrer relativ geringen Wärmeleitfähigkeit eignen sie sich bei geringen Dicken von 25 bis 125 μm aufgrund ihres niedrigen Wärmeübergangswiderstandes auch als Wärmeleitmaterial. Voraussetzung ist jedoch eine sehr gute Oberflächenbearbeitung, da die feste Struktur der Polyimidfolie keine Hohlräume ausgleicht. Durch ihre Stabilität sind sie hervorragend als Substratträger zur Beschichtung mit wärmeleitendem Silikon sowie mit phasenwechselndem Wärmeleitwachs geeignet.

Phasenwechselmaterialien

Bei Phasenwechselmaterialien handelt es sich um eine Wärmeleitwachsmischung, die bei 50 bis 60 °C ihre Konsistenz von fest in weich verändert und die natürlichen Rauheiten der Oberflächen benetzt. Das Volumen erhöht sich dabei etwa um 10 Prozent. Dadurch werden alle Lufteinschlüsse ausgetrieben, was für eine hervorragende thermische Verbindung sorgt. Bei Unterschreiten der Temperatur kehrt das Medium wieder in den festen Zustand zurück. Die Verbindung der Kontaktoberflächen verschlechtert sich dadurch nicht. Diese Methode erzielt in der Regel den geringstmöglichen Wärmeübergangswiderstand. Phasenwechselnde Materialien sind in Folienform erhältlich, deren Verarbeitung relativ aufwändig ist, oder beidseitig auf einem sehr dünnen Substratträger aufgebracht. Dieser ist je nach Anforderung elektrisch isolierend oder leitend.

Wärmeleitende Klebefolien

Wärmeleitende Klebefolien beruhen in der Regel auf Acryl, sind mit wärmeleitenden Keramikfüllstoffen versetzt und druckempfindlich. Sie sind als Folien oder Bänder in verschiedenen Dicken erhältlich, verfügen über ausgezeichnete elektrische Isoliereigenschaften und eine gute Wärmeleitfähigkeit. Durch die weiche Oberflächenbeschaffenheit können sie sich auch unebenen Substraten sehr gut anpassen und die Kontaktflächen flächig benetzen. Dadurch erreichen sie bei zusätzlichem Einsatz von Druck mittels Verschraubung einen sehr geringen Wärmeübergangswiderstand, bieten eine große Klebkraft sowie eine ideale Wärmekopplung. In der Regel verfügen sie auch über eine gute Wärmebeständigkeit.

Diese Materialien gibt es entweder als vorkonfektioniertes Rollenformat, als kundenspezifischer Zuschnitt, aber auch als Kiss-cut. Außerdem ist es bei einseitig haftenden Varianten auch in loser Formation erhältlich.

Elastomere

Das gebräuchlichste Elastomer ist Silikonkautschuk. Es verfügt über eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit, gute chemische Stabilität und eine hohe Temperaturbeständigkeit. Die thermische Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Isolationsfestigkeit wird bei Silikon durch Beimischung thermischer Keramiken erreicht, etwa Silica, AL2O3 oder Aluminiumnitrid. Je höher ihr Anteil ist, desto besser ist die Wärmeleitfähigkeit, desto höher aber auch der Härtegrad des Materials.

Silikon ist sehr isolationsfest, alterungsbeständig, weich und anpassungsfähig. Durch seine Weichheit kann es relativ leicht mechanisch bearbeitet werden, was die Herstellung komplexer Geometrien ermöglicht. Die Folien weisen üblicherweise eine maximale Wärmeleitfähigkeit von
1 bis 5 W/Km auf, in Sonderfällen auch 10 bis 15 W/Km. Sie sind erhältlich in einer Dicke von 0,1 bis 15 mm. Für eine höhere mechanische Stabilität können sie glasfaserverstärkt oder auf einen Substratträger aufgebracht werden.

Um die Montage zu vereinfachen, werden die Materialien auch einseitig oder beidseitig haftend angeboten. Folien dicker als 0,5 mm werden in der Regel als Gap-Filler genutzt, die durch ihre weiche Konsistenz Toleranzen und Unebenheiten wärmetechnisch gut ausgleichen. Die Kompressionsrate beträgt hierbei maximal 40 Prozent, je nach Härte und Füllungsgrad. Durch richtige Wahl des Anpressdrucks lässt sich somit der geringstmögliche Wärmeübergangswiderstand erreichen. Silikon weist jedoch ein Ausgasen auf, was in manchen Applikationen nicht erwünscht ist.

Softelastomere können ebenfalls in vielerlei Anlieferungsformaten vom Anwender geordert werden. Die Anlieferung erfolgt in der Regel als kundenspezifischer Zuschnitt, entweder als Sheetformat, als Kiss-cut und in loser Formation einseitig aber auch beidseitig haftend. Sie sind auch im vorkonfektioniertes Rollenformat lieferbar.

Wärmemanagement: Fachleute gefragt

Die rasante Entwicklung und die wachsende Leistungsdichte von Hochleistungs-LEDs stellt Hersteller und Anwender vor Herausforderungen im Wärmemanagement. Damit LEDs keinen Schaden nehmen, sollten bei der Entwicklung von Beleuchtungsanwendungen von Beginn an Fachleute des thermischen Managements mitwirken. Sie kennen die funktionellen und Zuverlässigkeitsanforderungen, die Stressbedingungen für die TIM-Folie und benennen die topographischen Verhältnisse, wie Wölbung und Oberflächenrauheit. Mit ihrem Wissen wählen sie die optimale TIM-Folie und lassen deren Eigenschaften in die Simulation einfließen, was sich positiv auf die Lebensdauer und Betriebssicherheit der LED auswirkt.

Bildergalerie

  • Abbildung 1: Beispielrechnung für eine einfache 4-W-LED bei 25 °C Umgebungstemperatur

    Bild: ICT Suedwerk

  • Abbildung 2: Der Wärmewiderstand Rth wird unabhängig von den Umgebungsbedingungen angegeben wird. Er nimmt ab, je größer die Kontaktfläche A, je höher die thermische Leitfähigkeit k und je kleiner die Schichtdicke d ist.

    Bild: ICT Suedwerk

  • Abbildung 3: Der thermische Gesamtübergangswiderstand (Rth(total)) wird meist in der Einheit K/W oder °C/W angegeben.

    Bild: ICT Suedwerk

  • Abbildung 4: Die Auswahl des falschen thermischen Interface Materials kann zum Totalausfall von LEDs führen.

    Bild: ICT Suedwerk

  • Abbildung 5: Verschiedene thermische Interface Materialien weisen unterschiedliche thermische Widerstände auf. Phase-Change-Material mit Metallsubstratträger liegt im Rang vor Wärmeleitpaste, solange ein Thermal-Interface-Material ohne elektrische Isolation verwendet werden kann. Das ist darauf zurückzuführen, dass beim PCM Metal Material eine homogene prozesssichere Schichtdicke ein optimale Anbindung an die Kontaktflächen ermöglicht

    Bild: ICT Suedwerk

  • Abbildung 6: Damit eine LED Wärme an den Kühlkörper optimal abgibt, müssen alle Kontaktflächen einen niedrigen Wärmewiderstand aufweisen. An den Übergängen eingesetztes Wärmeleitmaterial sollte nicht zu dick aufgetragen werden. Meist sind dünne Schichten besser als dicke.

    Bild: ICT Suedwerk

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