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Plochingen, 2011-11-25

Hochleistungs-LED Module für die Materialbearbeitung

Eine neue Kombination von Alunitkeramik und innovativer Flüssigkühlung ermöglicht extrem kompakte Leistungselektroniken. LED-Arrays bis 100W/cm2 und 45.000lm auf 40x40mm2 sind möglich. Zur Entwärmung dieser Packungsdichte wurde der gesamte thermische Pfad optimiert – von der LED-Montage bis zum keramischen Kühlkörper.

Durch ihre steigende Lichtleistung werden Hochleistungs-LEDs für neue Anwendungen interessant, sei es in der Medizintechnik, industriellen Bildverarbeitung oder UV-Härtung von Klebstoffen. Um großflächige Objekte belichten zu können müssen hunderte Power-LED-Chips auf engstem Raum zusammen gebracht werden, thermische Probleme treten in den Vordergrund. Obendrein werden insbesondere im UV-Bereich hohe Anforderungen an die Konstanz optischer Parameter, wie Wellenlänge, Farbort, Flussspannung und Lichtleistung, gestellt. Zeitliche Temperaturänderungen oder gar eine stark inhomogene Temperaturverteilung über das Leistungsmodul sind inakzeptabel. Dieser Problematik stellte sich ein Projektverbund unter dem Förderträger VDI/VDE-IT Bayern und entwickelte kompakte LED-Module mit hoher Packungsdichte und Leistung. Die Entwicklungspartner bilden mit ihrem Know-how den gesamten Prozeß ab – vom Design über die Herstellung bis zur Charakterisierung und Verifizierung:

  • Der Geschäftsbereich Elektronik der CeramTec GmbH, Marktredwitz, lieferte neuartige Wasserkühler aus Aluminiumnitrid (AlN).
  • Das Fraunhofer IZM in Oberpfaffenhofen legte die Kühlung thermisch und fluidisch aus.
  • Das Fraunhofer IZM in Berlin bestückte den keramischen Kühlkörper unter Einsatz neuer Verbindungstechniken mit LEDs.
  • Die Excelitas Technologies GmbH & Co KG (ehem. PerkinElmer Elcos) in Pfaffenhofen fertigte abschließend das funktionsfähige LED-Modul mit optischem Verguss und elektrischen sowie fluidischen Schnittstellen.

Die bedeutende Leistungssteigerung der neuen Kühlmodule wurde durch mehrere Entwicklungsarbeiten erreicht. So wurde z.B. der übliche thermische Flaschenhals geklebter Komponenten durch die Entwicklung neuer Chipmontagetechniken umgangen. Hierfür wurden insbesondere Sinterprozesse zur direkten LED-Montage auf keramische AlN Kühler optimiert. Die metallisierte Alunit Keramik stellt eine effiziente Wärmekopplung zwischen Chip und Kühlmedium her. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Entwicklung des speziellen thermischen Managements mit gleichmäßiger Temperaturverteilung über das gesamte Modul unter Beachtung weiterer Rahmenbedingungen: Skalierbarkeit in jede Richtung und einfache Handhabung. Die so entstandene CeramCool Box erlaubt zudem eine schnelle Anpassung der Belichtung an den jeweiligen Anwendungsbedarf und zwar ohne aufwändige Optiken.

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