THELED - Entwicklung neuer thermomechanischer Konzepte für die kosteneffiziente Herstellung von LED-Baugruppen

Der Bedarf nach leistungsstärkeren Weißlicht-LED-Baugruppen für Beleuchtungssysteme steigt ständig an. Typische Beleuchtungsstärken von 15 lm/mm² sind mittlerweile Stand der Technik, 40 lm/mm² sind als Zielwert dem Projekt aufgegeben. Höhere Lichtleistungen sind jedoch unter anderem begrenzt durch die dabei unvermeidlich auftretenden erhöhten Temperaturen in den LED-Bauelementen, welche Qualitätsparameter wie Farbstabilität, Effizienz und Lebensdauer beeinträchtigten. Dem thermischen Management in den einzelnen Funktionselementen der LED als komplexem Werkstoffverbund (Chip, Konversionsschicht, elektrische Verbindungen, PCB, Einhausung etc.) kommt daher große Bedeutung zu. Da der Großteil der thermischen Energie in der LED selbst bzw. in der Farbkonversionsschicht freigesetzt wird, müssen die Konversionsschichten – üblicherweise Kunststoffkomposite - möglichst hohe Wärmeleitfähigkeiten besitzen. Zusätzlich führen die zahlreichen Schaltzyklen in der späteren Applikation zu zyklischen thermomechanischen Spannungen in der gesamten Baugruppe, welche ohne thermomechanische Anpassung der Materialverbunde aufeinander sowie ohne entsprechende Designoptimierungen zu frühzeitigen Schädigungen bzw. zum Totalausfall führen. Wesentliche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Erreichung der gesteckten Ziele sind daher (i) die Synthese von funktionalisierten Füllstoffen mittels der sog. „Stöbermethode“ zur Optimierung des Thermomanagements, (ii) die Formulierung eines Prozesses zur Herstellung eines hochwärmeleitfähigen Werkstoffverbundes zur Farbkonversion bestehend aus dem Matrixmaterial (üblicherweise Silikone), Farbkonversionmaterialien und geeigneten Füllstoffen. Das so hergestellte Material muss den optischen, chemischen, rheologischen, thermomechanischen und produktionstechnischen Kriterien genügen. Entsprechende spektrometrische Untersuchungen, thermomechanische Untersuchungen über DMA und DSC, Rheologie, UV-Tests zur chemischen Stabilität sowie der thermischen Vernetzungskinetik werden dazu durchgeführt. Im nächsten Schritt erfolgt (iii) die Untersuchung der wechselseitigen thermomechanischen Beeinflussungen des Werkstoffverbundes mit den restlichen Systemkomponenten (insbesondere der Anschlussdrähte) über computergestützte Verfahren (FEM-Multiphysiksimulation) welche als Ergebnis bereits hinsichtlich der thermisch-mechanischen Eigenschaften des späteren Produktes eine optimierte Materialauswahl sowie abgestimmte Systemdesign- und Prozessparameter (Curing) zur Minimierung der Eigenspannungen im System nach der Fertigung liefert. Schließlich wird (iv) die thermomechanische Robustheit des gesamten Werkstoffverbundes (der LED-Baugruppe) einer genauen dynamisch thermisch-mechanischen Analyse unterzogen, welche über kombinierte mechanische Multimodentests und Anwendung zyklischer thermischer und mechanischer Tests qualitative und quantitative Aussagen über das Auftreten möglicher Designschwächen und Zuverlässigkeitsprobleme erlauben. Im letzten Arbeitspaket (v) wird mittels thermischer Impedanzanalyse schließlich die Effizienz der Entwärmung der Produktdesigns überprüft bzw. weitere Optimierungen am Design durchgeführt. Hauptergebnis des Projektes ist ein stabiler kosteneffizienter und validierter Herstellprozess von Hochleistungs-LED-Baugruppen mit potentiell patentfähigen Erkenntnissen zur Herstellung der Werkstoffverbunde sowie von wissensbasierten Designkriterien, welche wesentlich zur Verkürzung von Produktentwicklungszeiten beitragen werden.