Sie sind robust, energieeffizient und leuchten bis zu 50.000 Stunden: Leuchtdioden (LEDs) gelten als Lichtquelle der Zukunft. Besonders Hochleistungs-LEDs eröffnen heute Anwendungen im industriellen Bereich, die lange Zeit undenkbar waren. Problematisch sind jedoch die hohen Temperaturen, die dabei entstehen – denn LEDs mögen es kühl. Mikrosystemtechnik aus dem Fraunhofer IZM könnte künftig eine optimale Entwärmung ermöglichen.

Leuchtdioden halten Einzug in immer neue Bereiche - etwa die optische Industrie, den Maschinenbau oder die Materialbearbeitung. Um die für solche Anwendungen nötige Lichtstärke zu erreichen, müssen hunderte LEDs auf kleinstem Raum nebeneinander platziert werden. Das Problem: Die Leistungsdichten solcher High-Power-Module produzieren viel Wärme, die bei unzureichender Kühlung zu hohen Temperaturen führt. Leuchtdioden reagieren jedoch sensibel auf ihre Umgebungstemperatur. Über 100°C fällt die Strahlungsleistung der meisten LEDs auf weniger als die Hälfte ab. Um das Leistungspotenzial von High-Power-LEDs wirklich nutzen zu können, ist daher eine optimale Entwärmung entscheidend. Dabei gilt: Je höher die Packungsdichte, desto größere Anforderungen stellt das an das Wärmemanagement.

Effektive Kühlstrukturen
Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM haben nun im Rahmen des BMBF Projekts CooLED zusammen mit zwei Industriepartnern, der Excelitas Technologies Corp. und der CeramTec GmbH, neuartige High-Power-LED-Module mit integrierter Wasserkühlung entwickelt, die über Leistungen bis zu 600 Watt verfügen. Zum Vergleich: Bei heute verfügbaren High Power-LEDs mit 4 Chips sind es etwa 6 Watt. Die LEDs werden auf kleinstem Raum gepackt – bei einer Leuchtfläche von nur 25 cm x 1 mm finden bis zu 160 LEDs auf dem Träger Platz. Dieser befindet sich auf einen neuartigen Wasserkühlkörper aus Aluminiumnitrid der CeramTec GmbH. Damit die Kühlstrukturen die entstehende Wärme möglichst effektiv ableiten und die Temperatur innerhalb des Moduls homogen bleibt, haben Experten des Fraunhofer IZM in Oberpfaffenhofen die mikrofluidische Strömung im Kühlkörper genau ausgelegt. Das ist wichtig, da es ansonsten zwischen den einzelnen LEDs zu Leistungsschwankungen und zu einer Verschiebung der Peakwellenlänge – einem essentiellen Prozessparameter – kommen würde.

Temperaturmessung im Chip-Inneren
Für die thermische Charakterisierung ist ein Team am Berliner Institutsteil zuständig. Bislang war nur eine Messung außerhalb des Chips möglich – doch schon der Übergang in ein angrenzendes Material verfälscht das Messergebnis. »Uns ist es nun erstmals gelungen, die Temperatur direkt am pn-Übergang elektrisch zu messen, wo üblicherweise die höchsten Temperaturen herrschen«, erklärt Dr. Rafael Jordan, Bereichsmanager Photonik. Mit der neuartigen Methode, einer so genannten Junction-Temperaturmessung basierend auf der Vorwärtsspannung, lassen sich die Temperaturen bis auf einen halben Grad genau bestimmen. Auch bei der Verbindungstechnik gehen die Projektpartner neue Wege: Die LED-Streifen werden alternativ ohne flüssiges Lot direkt auf den metallisierten Aluminiumnitridkörper gesintert. So können sie bei der Montage nicht verrutschen – bei den hohen Anforderungen an die Platziergenauigkeit in den winzigen Bauteilen ein großer Vorteil. Außerdem werden die nur bedingt lötfähigen Metallisierungsschichten des Kühlkörpers nicht unnötig belastet.

Einen Prototyp des neuen Moduls präsentieren die Projektpartner auf der diesjährigen SMT in Nürnberg. Bis etwa Mitte 2011 wollen sie in einem nächsten Schritt ein quadratisches Modul (400 LEDs auf 16 cm²) mit einer noch höheren Leistungsdichte von ~1200 Watt entwickeln.