Untersuchung von Wärmepfaden

Ausreichende Kühlung von wärmeempfindlichen Bauteilen ist in vielen Gebieten der Technik unerlässlich, beispielsweise bei LEDs. Ein vom Fraunhofer-Anwendungszentrum (AWZ) für Anorganische Leuchtstoffe zusammen mit der Fachhochschule Südwestfalen in Soest entwickeltes und patentiertes Verfahren soll helfen, Schwachstellen aufzuspüren und zu bewerten.

© Fraunhofer AWZ Soest
Aufnahmen der einzelnen Komponenten des Wärmepfades eines LED-Leuchtmittels.

Obwohl moderne weiße LEDs eine hohe Effizienz bei der Lichterzeugung aufweisen, wird ein erheblicher Teil der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt. Diese erhöhten Temperaturen beschleunigen Alterungsprozesse, sodass die Lebenszeit der LED und damit der Leuchte sinkt. Das Wärmemanagement ist deshalb ein wichtiger Teil in der Entwicklung einer Leuchte. Während der innere Aufbau der LED hinsichtlich des Wärmetransports bereits durch den LED-Hersteller optimiert wird, liegen die weiteren Komponenten des Wärmepfads in der Verantwortung des Leuchtenherstellers.

Ein gängiger Weg, den Wärmeleitweg von LED-Modulen zu qualifizieren, ist die Messung der Betriebstemperatur der LEDs an bestimmten Referenzpunkten. Während Thermoelemente für diesen Zweck weit verbreitet sind, bietet die Infrarot-Thermografie eine berührungslose und effiziente Methode, um die erforderlichen Temperaturinformationen zu erhalten. Im Gegensatz zu Thermoelementen ermöglicht die Thermografie die Messung der Temperaturverteilung über einen relativ großen Bereich. Obwohl statische Temperaturaufnahmen es ermöglichen, übermäßig warme Bereiche eines Prüflings zu lokalisieren, liefern sie keine detaillierten Informationen, welche Komponente des Wärmepfads die Schwachstelle darstellt.

Für diese Herausforderung wurde am Fraunhofer-Anwendungszentrum Soest in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Südwestfalen ein bildgebendes Verfahren entwickelt, das die Schwachstellen eines Wärmepfads aufspürt und bewertet. Dazu wird zunächst gewartet, bis sich das LED-Modul auf seine Betriebstemperatur erwärmt hat. Anschließend wird die Stromversorgung abgeschaltet und die Abkühlung mit einer Hochgeschwindigkeits-Thermografiekamera aufgenommen. Die Größe des betrachteten Bereichs ergibt sich hierbei über die Wahl des Objektivs der Infrarotkamera. Diese Bilder werden anschließend durch einen eigens dafür entwickelten Algorithmus verarbeitet, um die einzelnen Komponenten des Wärmepfads zu separieren. »Diese Technik ermöglicht die Analyse von geringfügigen Änderungen im thermischen Pfad. Somit kann beispielsweise eine inhomogene oder defekte Verlötung erkannt werden, die zu einem unzureichenden thermischen Kontakt zwischen LED und Platine führt«, sagt Dr. Peter Nolte, Leiter der Gruppe »Zuverlässigkeit von Leuchtstoffen« am Fraunhofer AWZ Soest.

Das Verfahren ist seit Dezember 2020 patentiert. Das Patent kann unter folgendem Link eingesehen werden: https://depatisnet.dpma.de/DepatisNet/depatisnet?action=bibdat&docid=DE102019214472B3