Presseinformation Unternehmenskommunikation Kontakt CeramTec: Jörg Kochendörfer Leitung Werbung & Öffentlichkeitsarbeit Telefon (0 71 53) 6 11-416 e-mail: j.kochendoerfer@ceramtec.de = = = Kontakt Presseagentur Text Presse Marketing: Astrid Weiss Telefon (07159) 80 41 99 0 e-mail: weiss@textpressemarketing.de= Hochleistungs- LED Module für die Materialbearbeitung Rüdiger Herrmann, Key Account Manager, Fachbereich Elektronik der CeramTec GmbH, Marktredwitz Dr. Rafael Jordan, Bereichskoordinator Photonik, Fraunhofer IZM, Berlin Dr. Michel Kazempoor, Senior Project Manager, Excelitas Technologies Elcos GmbH, Pfaffenhofen 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. 1/9
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, 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 2/9=
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. Nur 40mm Kantenlänge für 1600W Die kompakte CeramCool Box zielt auf die homogene und effiziente Entwärmung von Packungsdichten bis 100W/cm². Mit nur 40 x 40 mm² Kantenlänge und 16 mm Höhe können1600w Gesamtleistung gekühlt werden. Bei einem Wirkungsgrad von 25% entspricht das 400W optischer Leistung, bei gängigen Hochleistungs-LEDs etwa 45.000 lumen. Die verbleibenden 1200W müssen als thermische Leistung effizient abgeführt werden, eine Herausforderung, die bereits bei der Wärmeübertragung vom Bauteil auf das Trägersubstrat beginnt. Leistungsdichten dieser Größenordnung stellen konventionelle Klebetechnologie für den Die-Bond in Frage. Da selbst hochgefüllte Ag-Leitkleber wenig mehr als 1 W/mK Wärmeleitfähigkeit aufweisen, entsteht bereits hier ein Bottleneck für effiziente Kühlung. Variiert auch noch die Schichtdicke des Klebstoffs, kann kein noch so gutes Kühlkonzept die absoluten und relativen Temperaturen ausgleichen. Eine Versuchsreihe belegt die Problematik. Die Vorteile eines direkt gekühlten AlN- Keramiksubstrates werden im Vergleich zwischen einem Aufbau auf einer Metallkernleiterplatte und einem direkt gekühlten AlN-Keramiksubstrat deutlich. Hierfür wurden beide Module bei verschiedenen Leistungen betrieben und die entsprechenden Bauteiltemperaturen ermittelt. Die Temperaturen bei verschiedenen Strömen sind in Error! Reference source not found. zu sehen. Verglichen werden zwei Module mit AlN-Keramik mit jeweils gelöteten oder geklebten LED-Chips. Des weiteren wurde ein Modul auf einer Metallkernleiterplatte (MC-PCB) mit geklebten LED-Chips vermessen. Die Ergebnisse zeigen, dass bis 500 ma ein Betrieb auf allen Substraten möglich ist. Zur Erhöhung der LED-Lebensdauer lohnt sich auch in diesem Leistungsbereich der Einsatz von Keramik. Zwingend notwendig ist er noch nicht. Bei einer Erhöhung des Stroms auf 700mA steigt die Maximaltemperatur auf dem IMS-Aufbau bereits auf 134,5 C. Der Temperaturunterschied zwischen 3/9=
geklebten und gelöteten LEDs beträgt 8 C. Er führt zu einem Effizienzunterschied, wie in der Irradiance Grafik dargestellt. Sie zeigt die gemessene Bestrahlungsstärke eines UV-Moduls bei Substrattemperaturen von 55 C und 65 C. Den Kleber-Engpass ging auch das Fraunhofer IZM Berlin mit neuen Löt- und Sintertechnologien an. Durch den geringen thermischen Widerstand einer metallischen Verbindung konnte eine hervorragende thermische Kopplung zum metallisierten Alunit Substrat erreicht werden. Für eine zuverlässige Haftung wurden unterschiedliche Kombinationen aus LEDs, gesinterten Metallen und dem Keramiksubstrat untersucht. Voraussetzung dafür ist, dass neben den elektrischen Leiterbahnen auch die Lote und Sinterpasten direkt auf den keramischen Hochleistungskühler aufgebracht und dauerhaft, ohne thermische Barrieren und ohne Delaminierungsrisiko (Differenz der thermischen Ausdehnungskoeeffizienten) mit ihm verbunden werden. Der Chip kann in diesem Fall unmittelbar auf den Heatsink gebonded werden. Da Fertigungskosten immer ein Thema sind wurden zudem Techniken zum kollektiven Bonden entwickelt, die trotz hoher Platziergenauigkeit deutliche Kostenreduzierungen realisieren. Alunitkeramik: hohe Wärmeleitfähigkeit bei exzellenter Durchschlagsfestigkeit Zentrale Bedeutung für eine effiziente Entwärmung kommt dem keramischen Kühlkörper zu, denn das Erreichen der geforderten Temperaturen ist nur mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit des Basismaterials und dessen direkter Metallisierung möglich. Die Alunit Keramik ermöglicht einerseits die effiziente Wärmekopplung an das Kühlmedium. Andererseits stellt sie eine gute Wärmespreizung sicher und verringert somit Temperaturunterschiede innerhalb des Moduls. Darüber hinaus gelang es CeramTec im Rahmen des Forschungsprojekts die besonders wärmeleitfähige AlN Keramik serienmäßig zu extrudieren. Das zu diesem Zeitpunkt weltweit einzigartige Verfahren ermöglicht stabförmige Körper und Rohrsysteme aus Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher mechanischer Stabilität und Durchschlagsfestigkeit. Die mehrteilige CeramCool Box wird im Trockenpressverfahren hergestellt und monolithisch versintert. Die Formgebung der verschiedene Prototypgeometrien wird im Grünstadium durch CNC Bearbeitung 4/9=
erzielt, da dieses Verfahren die schnelle Herstellung kostengünstiger Testmodule erlaubt. Ist trotz der hohen Abwärme ausschließlich passive Kühlung über Luftkonvektion möglich, so ist eine hohe und punktuell ungleichmäßige Erwärmung der LEDs von weit mehr als 100 C unvermeidlich. Deshalb kann die CeramCool Box an eine aktive Wasserkühlung angeschlossen werden. Für die Abführung der Wärmeleistung ist schon ein konventioneller Chiller aus dem PC-Bereich völlig ausreichend. Um die CeramCool Box möglichst einfach handhaben zu können wurde die Zahl der Kühlwasseranschlüsse auf jeweils einen Ein- und Auslass beschränkt. Da Keramik verwendet wird, haben Systementwickler die freie Wahl des Kühlmittels und können den Kühlkörper obendrein problemlos auch in aggressiver Umgebung einsetzen. Die besondere Innovation der CeramCool Box liegt im Inneren des Keramikkörpers. Hier sorgen vier symmetrisch angeordnete Spiralkühler mit ausgeklügelten Fließpfaden für gleichmäßige Kühlung bis hin zu den Außenbereichen. Die Keramikwände sind im Innern lediglich einen Millimeter dick. Damit wird das Kühlmedium so nah an die Hitzequelle gebracht wie bei keinem anderen Konzept mit vergleichbarer hoher Systemlebensdauer. Als Werkstoff wird AlN Keramik Alunit mit einer Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur von 170W/mK eingesetzt. Durch seine hohe Wärmeleitung ermöglicht diese Keramik auch bei sehr dünnen Wänden eine hervorragende Wärmespreizung. In Kombination mit der beschriebenen Sintertechnologie wird ein ausgezeichneter Wärmetransport von der Wärmequelle zum Kühlmedium garantiert. Die effiziente und homogene Temperaturverteilung konnte in der thermischen Charakterisierung mittels IR-Thermografie und elektrischer Junction- Temperaturmessung nachgewiesen werden. Die Messungen zeigten, dass Dank des ausgeklügelten Innenlebens des Kühlkörpers die Temperatur bei einem Kühlmitteldurchfluss von 180l/h und einer Umgebungs- und Kühlwassertemperatur 5/9=
von 30 C lediglich 90 C beträgt! Da eine Bestimmung der Junctiontemperatur über den Wellenlängenshift im UV nicht präzise genug ist, wurde eigens ein Messaufbau entwickelt, der die Temperatur über die Vorwärtsspannung mit einer Genauigkeit besser als ein Grad Celsius bestimmt. Auch hier wurden die simulierten Ergebnisse durch die Messungen bestätigt. 6/9=
Bild: CeramCoolBox.jpg Bildunterschrift: Die kompakte CeramCool Box zielt auf die homogene und effiziente Entwärmung von Packungsdichten bis 100W/cm². Mit 16 x 40 x 40 mm³ Kantenlänge kühlt sie 1600W Gesamtleistung auf 90 C. Dies entspricht einem Temperaturdelta von 60K zum Kühlmedium. Bild: CeramCoolBox Simulation.jpg Bildunterschrift: Der Temperaturverlauf der CeramCoolBox ist homogen. Packungsdichten bis 100W/cm² werden effizient entwärmt. Als Werkstoff wird Aluminiumnitrid-Keramik namens Alunit eingesetzt. Bild: Simulation Schnittbild.jpg Bildunterschrift: Symmetrisch angeordnete Spiralkühler mit ausgeklügelten Fließpfaden auf mehreren Ebenen sorgen für gleichmäßige Kühlung bis hin zu den Außenbereichen. 7/9=
Bild: CeramCoolBox Draufsicht.jpg CeramCoolBox seitlich.jpg Bildunterschrift: Das skalierbare metallisierte Modul entwärmt LED-Arrays bis 100W/cm² respektive 45.000lm auf 40x40mm². Zur Entwärmung dieser Packungsdichte wurde der gesamte thermische Pfad optimiert von der LED-Montage bis zum keramischen Kühlkörper. I F = 350 ma I F = 500 ma I F = 700 ma El. Leistung [W] 188 284 409 T IMS [ C] 84,5 105 134,5 T AlN (LEDs geklebt) [ C] 60,5 78 99,5 T AlN (LED gelötet) [ C] 57,5 71 91,5 Bild: Tabelle Messreihe.jpg Bildunterschrift: Vermessen werden 2 Module aus AlN-Keramik mit gelöteten oder geklebten LED- Chips und eines auf Metallkernleiterplatte (MC-PCB) mit geklebten LED-Chips. Zur Erhöhung der LED- Lebensdauer lohnt sich bereits im Leistungsbereich bis 500mA der Einsatz von Keramik. Zwingend ist er nicht. Bei 700mA steigt die Maximaltemperatur auf dem IMS-Aufbau auf 134,5 C und überschreitet die zulässige Betriebstemperatur, der Einsatz von Aln Keramik wird notwendig. Der Temperaturunterschied zwischen geklebten und gelöteten LEDs beträgt 8 C. 8/9=
Bild: irradiance.jpg Bildunterschrift: Im hohen Leistungsbereich werden durch das effizientere Temperaturmanagement der gelöteten LEDs im Vergleich zu geklebten LEDs rund 10% mehr Lichtstrom möglich. Rüdiger Herrmann arbeitet als Key Account Manager für den Geschäftsbereich Elektronik der, Marktredwitz. Der Maschinenbautechniker ist spezialisiert auf technische Keramik und konzentriert sich auf anwendungsspezifische Lösungen. Er ist u.a. für das Marketing der metallisierten keramischen Kühlkörper, CeramCool, verantwortlich. R.Herrmann@ceramtec.de Dr. Rafael Jordan fungiert als Bereichskoordinator Photonik bei der Fraunhofer IZM in Berlin. Im Jahr 2001 schloss er seine Dissertation über die Bestimmung energetischer Niveaus in der Photosynthese ab. Seitdem arbeitet er für das Fraunhofer IZM in Berlin als Wissenschaftlicher Mitarbeiter. Neben dem Packaging von Pixelsensoren mit höchster Präzision beschäftigt er sich mit der AVT optoelektronischer Komponenten. Die Entwicklung von modernsten High- Power LED Modulen ist dabei seine Kernkometenz, wofür er auch als Ansprechpartner des Instituts fungiert und die internen Abläufe koordiniert. Rafael.Jordan@izm.fraunhofer.de Dr. Michel Kazempoor ist Senior Project Manager bei der Excelitas Technologies Elcos GmbH, Pfaffenhofen. Thematische befasst er sich seit einigen Jahren insbesondere mit der LED-Produktentwicklung. Nach einem Studium Physikalische Technik mit Schwerpunkt Mikrosystemtechnik studierte er Physik an der TU-Clausthal mit Fokus auf Festkörperphysik. Seine Promotion absolvierte er am Forschungszentrum in Jülich im Bereich Festkörper- und Oberflächenphysik. michel.kazempoor@excelitas.com 9/9=