Die hohe Kunst der LED-Montage

Heute geht es um das „Herzstück“ unserer LED-Lampen. Bei LED-Chips handelt es sich um jene Halbleiter-Elemente, die gemäß ihrem vollen Namen (Light-emitting diodes) verantwortlich für die Emission von Licht sind. Eine besondere Herausforderung ist dabei die Montage einer oder mehrerer LEDs auf eine Leiterplatte zwecks Herstellung von LED-Modulen. Dabei existieren unterschiedliche Technologien, die mit der Zeit immer weiter verfeinert worden sind und dazu beigetragen haben, dass mittlerweile kleinste und gleichzeitig leistungsstarke LED-Chips auf winzigen Flächen nebeneinander montiert werden können. Der Trend zur Miniaturisierung geht einher mit der Entwicklung immer effizienter arbeitender LEDs in ebenfalls immer kompakteren Endprodukten, wie zum Beispiel einer LED-Lampe.

 

Steffen Riemer leitet den Bereich R&D „Global Light Sources“ Tridonic und den Bereich R&D beim LED-Spezialisten Tridonic Jennersdorf GmbH mit Sitz in Ostösterreich. Das Unternehmen ist führend bei der Entwicklung und Fertigung von qualitativ hochwertigen, energieeffizienten LED-Komponenten und LED-Modulen. Er stellt die drei wichtigsten Technologien bei der Assemblierung von LED-Chips kurz vor:

 

 

1. Durchsteckmontage (Through Hole Technology, THT)

Jeder kennt diese Anwendung von Produkten wie Kontrollampen in den unterschiedlichsten Farben und Ausführungen. Ein typisches Beispiel ist das kleine rote Stand-by-Lämpchen, wie es bei vielen Fernsehern zu finden ist. Mit der Steigerung der Effizienz und Leistung von LED-Chips fand diese Technologie auch Einzug in LED-Leuchtmittel, wobei THT LED-Komponenten noch immer zum unteren Leistungsspektrum zählen. Typischerweise sind diese LED-Lampen an der Vielzahl halbrunder, kunststoffummantelter Lichtpunkte zu erkennen. Diese sind an der Licht abgebenden Seite der Lampe zu finden.

 

Die Technologie der Durchsteckmontage zeichnet sich dadurch aus, dass die Bauteile Drahtanschlüsse haben. Diese werden bei der Montage durch Kontaktlöcher in der Leiterplatte gesteckt und anschließend mit der Leiterbahn verlötet. Der Vorteil von bedrahteten LEDs besteht in der geringen Wärmeabgabe, der vergleichsweise einfachen und günstigen Erzeugung sowie der praktischen Handhabung. Im Zuge der Entwicklung von LED-Chips im Hochleistungsbereich und zugunsten der Automatisierung des Herstellungsprozesses mit einer deutlich höheren Bauteildichte auf der Leiterplatte, gilt diese Technologie bei der Herstellung von LED-Lampen neuester Generation als nicht mehr zeitgemäß.

 

THT

 

 

2. Oberflächenmontage (Surface Mounted Device, SMD)

Der Prozess des Surface Mounted Device ist die konventionelle Methode der Montage von elektronischen Bauelementen auf der Oberfläche einer Leiterplatte. Im Gegensatz zu den bedrahteten Bauteilen, wird bei dieser Technologie ein sogenanntes LED-Package, bestehend aus einem umhäusten LED-Chip mit einer lötfähigen Anschlussfläche, direkt mit der Leiterplatte verlötet. Module in Oberflächenmontage erlauben aufgrund ihrer geringen Größe einen höheren Grad der Miniaturisierung. Speziell für Hochleistungs-LEDs, bei denen sehr hohe Ansprüche an eine einfache Ableitung der im Halbleiterkristall entstehenden Wärme bestehen, ist diese Methode mit einer direkten Verbindungsebene zur Leiterplatte viel besser geeignet als die Durchsteckmontage.

 

Nachteilig an dieser Technologie ist der thermische Widerstand durch die zusätzliche Verbindungsebene des LED-Package sowie durch die Lötstelle. Gleichzeitig ist eine gewisse Komponentengröße immer noch gegeben, was sich negativ auf Miniaturisierungsgrad und Bestückungsdichte auswirkt.

 

SMD

 

 

3. Nacktchipmontage (Chip on Board, CoB)

Bei der innovativen Chip on Board (CoB)-Technologie werden „nackte“ oder ungehäuste LED-Chips direkt auf der Leiterplatte montiert. Dies geschieht in der Regel mit einem besonderen Kleber auf Kunstharz-Basis (Epoxy). Anschließend werden Chip und Leiterplatte zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einem dünnen Golddraht verbunden (Drahtbonden). Damit der Chip nicht ungeschützt ist, wird er von oben mit einem Tropfen Silikon, dem sogenannten Glob Top, umschlossen. Über die Größe und Konsistenz des Glob Top werden übrigens auch die Weißlichterzeugung sowie die Abstrahlcharakteristik geregelt. Wird beispielsweise ein blauer LED-Chip mit einem Gemisch aus Silikon und gelber Phosphore verkapselt, so entsteht durch Farbkonversion aus dem blau emittierten Licht in Kombination mit dem Gelb der Phosphore weißes Licht.

 

Der Vorteil der Chip on Board-Technologie liegt technologisch gesehen im exzellenten Thermomanagement, da der Chip unmittelbar der Leiterplatte aufliegt und die Wärme durch die Wahl entsprechender Leiterplattenmaterialien sehr gut abgeführt werden kann. Was den Produktionsprozess angeht, so ergeben sich ebenfalls Vorteile durch eine sehr hohe Bestückungsdichte. Ein platzraubendes Gehäuse für den LED-Chip wird nicht benötigt. Darüber hinaus sind bei einer automatisierten Produktion weniger Arbeitsschritte als bei den anderen Technologien zur Montage notwendig.

 

COB

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