COB-LEDs und wärmeleitfähige Kunststoffcompounds

7. April 2018

COB-LEDs und wärmeleitfähige Kunststoffcompounds

Die schnelle Entwicklung im Bereich LED-Beleuchtungssysteme hat zu immer leistungsfähigeren und effizienteren Lösungen geführt, die in der Lage sind, konventionelle Lichtquellen sogar in anspruchsvollsten Anwendungen, z. B. im öffentlichen Raum und industriellen Einsatz, zu ersetzen. Getrieben wird diese Entwicklung durch die so genannten COB (Chip-on-Board)-LEDs, bei denen viele einzelne Leuchtdioden in Serie verbunden direkt auf einem Substrat montiert sind und eine einzige, starke Lichtquelle bilden. Zu den zahlreichen Vorteile von COB-LED-Lösungen gehören die Reduktion der erforderlichen Bauteile und damit eine Minimierung von Lötpunkten, die Abwesenheit optischer Linsen sowie ihr höherer Lichtstrom. Bei einem derartigen Aufbau hat ein effizientes Wärmemanagement einen entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer des Produkts. Daher kommen üblicherweise Wärmesenken aus Aluminium zum Einsatz, auch bei maximalen Sperrschichttemperaturen von 150°C.

Electromagnetica, ein führender rumänischer Hersteller von Elektro- und Elektronikgeräten, hat den Trend zu wärmeleitfähigen Kunststoffcompounds bei der Entwicklung eines neuen Scheinwerfers mit COB-LEDs für den industriellen Einsatz aufgegriffen.

Dieses Projekt erforderte einen fundierten wissenschaftlichen Ansatz auf Basis zahlreicher Simulationen sowie Tests zur Bewertung der Wärmeableitung und der Qualität des abgegebenen Lichts.
Das Ergebnis ist CASTOR 2M, eine Arbeitsleuchte mit zwei COB-LED-Modulen mit einer Gesamtleistung von annähernd 70 W. Das Produkt muss bei Umgebungstemperaturen von bis zu 45 °C und natürlicher Konvektion, d. h. ohne Zwangskühlung, zuverlässig arbeiten. Trotz des hohen elektrischen Wirkungsgrades erzeugt das System eine große Wärmemenge, die abgeleitet werden muss.
Ist es in einem solchen Szenario möglich, eine Wärmesenke aus Kunststoff einzusetzen? Die Antwort lautet „Ja“, unter der Voraussetzung, dass die Geometrie der Kühlelemente sowie die Grenzfläche zwischen Substrat und Kunststoff entsprechend ausgelegt sind.

Electromagnetica entschied sich für LATICONTHER 62 GR/70, ein PA6-Compound mit 70 Gew.-% Graphit. Die wärmeleitenden Eigenschaften dieses Compounds wurden sorgfältig untersucht. So lag die durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit bei annähernd 10 W/mK, auch bei hohen Umgebungstemperaturen sowie unabhängig von der Orientierung der Graphitteilchen. Diese Werte liegen deutlich über den Benchmarks anderer Compounds von LATI und anderer Hersteller.

Auf Grund der großen abzuführenden Wärmemenge und der begrenzten Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffmatrix, war die korrekte Auslegung der Wärmesenke von entscheidender Bedeutung. Daher wurden sowohl die Dicke der Grundfläche der Wärmesenke als auch die Form und der Abstand der Lamellen optimiert.
Die sorgfältige Untersuchung der dem Wärmetransport zugrundeliegenden thermischen Phänomene war ebenso unerlässlich, denn die Wärmestrahlung trägt zu einem ähnlichen Anteil zur Kühlung bei wie die Wärmeleitung.

Die Wärmeleitfähigkeit von üblicherweise für Wärmesenken eingesetzten Legierungen liegt bei ca. 150 W/mK und damit weit unter den 237 W/mK von reinem Aluminium. Daher ist der Unterschied zwischen Metalllegierungen und LATICONTHER nicht ganz so groß. Die höhere Wärmeaufnahme von Kunststoffen ist ein weiterer wertvoller Vorteil, der dazu beiträgt, die abzuleitende Wärmemenge zu reduzieren, denn die Wärmesenke selbst ist in der Lage, mehr Wärme zu speichern.
Zu den Vorteilen von LATICONTHER gehören eine sehr geringe Schwindung und damit sehr hohe Dimensionsstabilität, die für eine problemlose Montage erforderlich ist, sowie das auf Grund der niedrigeren Dichte im Vergleich zu Aluminium auf fast die Hälfte reduzierte Gewicht.

Die Leuchte liefert einen Lichtstrom von mindestens 8000 lm, ohne dass die Sperrschichttemperatur 80 °C überschreitet. Sein hochwertiges Erscheinungsbild verdankt das Produkt u. a. der sehr guten Oberflächenqualität der Wärmesenke aus LATICONTHER sowie der KTL-Beschichtung (Kathodische-Tauch-Lackierung), die direkt auf den Kunststoff aufgebracht wurde. Zudem ist die CASTOR 2M Leuchte in die Schutzklasse IP65 eingestuft.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an den Technischen Service von LATI.

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