Silikon für LEDs

Die Leuchtdioden (LED)-Technologie hat sich seit der Erfindung der weißen LED in den 80er/90er Jahren kontinuierlich weiterentwickelt, was in der Allgemein und der Automobilbeleuchtung besonders ersichtlich ist. LEDs sind auf Grund ihrer Größe, Kompaktheit, langen Lebensdauer und exzellenten Farbwiedergabe deutlich im Vorteil gegenüber traditionellen Lichttechnologien, was ihnen den Markt für immer mehr Einsatzgebiete ebnet.

Die vom Designstudio Aisslinger entworfene Büroleuchte Scriptus überzeugt durch modernes, progressives Design sowie hervorragende Effizienz und Lichtqualität. Bildquelle: Osram

Grundsätzlich besteht eine Leuchtdiode aus einem zum Substrat kontaktierten Halbleiter, der in vielen Fällen in einem Gehäuse  montiert ist. Ein Halbleiterchip setzt sich aus mehreren Schichten (Layer) eines halbleitenden Materials zusammen. Über die aktive Schicht wird im Betrieb Licht erzeugt und direkt oder mit Hilfe von Reflexionen ausgekoppelt. Im Gegensatz zu Glühlampen, die ein kontinuierliches Spektrum aussenden, emittiert ein Halbleiterchip, Licht in einer ganz bestimmten Farbe  oder Wellenlänge. In Abhängigkeit des verwendeten Halbleiters können dadurch verschiedene Farben erzeugt werden. Indium Galliumnitrid (InGaN) wird für violette, blaue und grüne LEDs verwendet, hingegen Indium Gallium Aluminiumphosphid (InGaAlP) für grüne, gelbe, orange oder rote Chips.  Neben den monochromatischen Leuchtdioden werden in sehr vielen Anwendungen weiße LEDs eingesetzt. Eine Möglichkeit weißes Licht zu erzeugen, ist die Mischung aus einer roten, grünen und  blauen LED (RGB-LED). Meist wird jedoch weißes Licht mit blauen Chips und einer zusätzlichen gelben Leuchtstoffschicht (Lumineszenzkonversion) hergestellt. Dabei absorbiert der Leuchtstoff einen Teil des blauen Lichtes und emittiert Licht mit einer längeren Wellenlänge. Die Konzentration (Menge) an eingesetztem Phosphor bestimmt die Menge an konvertiertem Licht, über die Wahl des Phosphors wiederum lassen sich die Farbwiedergabe sowie die Farbtemperatur („kaltes“ = bläuliches Weiss, „warmes“ weiß) einstellen.
Bei den Gehäusewerkstoffen kommen sowohl thermoplastische Kunststoffe (zum Beispiel Polyphthalamide) als auch duroplastische Materialien (zum Beispiel Epoxide, Silikone) zum Einsatz. Verschiedene Polymere, wie Epoxide und Silikone finden Einsatz als Verguss, Linse oder Chipkleber.

Einflüsse auf die Lebensdauer

Temperaturen und die Chip-Strahlung haben großen Einfluss auf die Lebensdauer einer LED. Je nach Einsatzbereich (Innen- oder Außenbereich) kommen weitere Einflüsse wie Feuchte, korrosive Gase, Hitze oder Kälte hinzu. Ein entwickelter Alterungstestplatz ermöglicht uns eine erste Materialselektion hinsichtlich der maßgeblichen Einflussfaktoren Strahlung und Temperatur. Hierbei werden die Kunststoffe unter LED-Bestrahlung (450nm) bei gleichzeitiger Temperaturei

nbringung gealtert.

Schematische Darstellung einer Leuchtdiode. Bildquelle: Osram

Unter den verwendeten Kunststoffen einer LED zeichnen sich Silikon-Elastomere hierbei durch eine hohe Beständigkeit gegen Blaubestrahlung und Wärme aus, weshalb sie zu den etablierten Materialien in der LED-Technologie zählen. Sie finden dabei Anwendung als Verguss, Linse oder als Matrixmaterial für Konversionselemente. Im Gegensatz zu anderen Polymeren, wie beispielsweise Epoxidharzen (Verwendung nur im niedrigen Leistungsber

Faktoren, die die Lebensdauer einer LED beeinflussen. Bildquelle: Osram

eich), zeigen sie keine Verfärbung unter Temperatur und Licht, was zu einem großen Helligkeitsverlust in der LED führen kann.
Die Unterscheidung der Silikone nach ihrem Brechungsindex führt zu Materialien mit einem hohem HRI (high refractive index) und einem normalen Brechungsindex NRI (normal refractive index). Beide Silikontypen haben ihre Berechtigung im LED Bereich. HRI-Silikone werden, abhängig vom finalen LED-Produktdesign, eingesetzt, um mehr Licht aufgrund des höheren Brechungsindexes aus dem Chip auszukoppeln. Jedoch sind sie infolge ihrer C-C-Bindung im enthaltenen Phenylring thermisch instabiler, was zu einer höheren Rissanfälligkeit des Materials führt und damit die  Lebensdauer verkürzt. Die Silikone mit einem Brechungsindex von 1.41 (NRI) zeigen, ebenfalls abhängig vom finalen LED-Produktdesign, gegenüber HRI-Silikonen eine verringerte Lichtauskopplung. Ferner zeichnen sich NRI-Silikone durch eine sehr hohe Stabilität gegenüber Temperatur und Licht aus, sind aber deutlich permeabler für Gase und Luftfeuchtigkeit.

Möglichst konstante Transmission

Lumen Maintance Anforderung (LM8 Test als Voraussetzung für den Energy Star). Bildquelle: Osram

Die Transmission der eingesetzten Materialien ist neben dem Brechungsindex entscheidend für die Lichtauskopplung aus der Leuchtdiode. Hier müssen die Werkstoffe eine Transmission von über 90 % in einem Wellenlängenbereich von 400 bis 800 nm sowohl nach der Mon-tage als auch im längeren Betrieb zeigen.
Im Automobilbereich kann die LED im Betrieb sowohl stark schwankenden Temperaturen (Anforderung der Zuverlässigkeit von -40 °C bis 150 °C), als auch kontinuierlich hohen Temperaturen (bis 150 °C) ausgesetzt sein. Zusätzlich erfährt die LED durch das Löten der Bauteile eine kurzzeitige Temperatureinbringung von 260 °C. Silikone gewährleisten durch ihre Temperaturstabilität sowie ihre Elastizität eine Zuverlässigkeit auch unter diesen beschrie-benen Bedingungen.
Für den Einsatz in anderen Bereichen, wie  LED-Lampen ist das amerikanische Energy Star-Zertifikat für Leuchtenhersteller ein sehr wichtiges Kriterium. Um dies zu erhalten, müssen die verwendeten LEDs Testanforderungen des sogenannten LM-80 (Lumen Maintenance Test) genügen – eine Anforderung der amerikanischen Bundesumweltbehörde EPA. Dabei darf die Helligkeit der LED über die Lebensdauer nur um einen exakt definierten Wert abfallen (Im > 70 % nach 70.000 h). Ziel der LM-80 Tests ist es, mit einem verkürzten Test von 6.000 h (circa neun Monate) zu demonstrieren, dass die LED die geforderten 70.000 h erreicht. Im Rahmen dieses LM-80 Testes werden bei konstanter und gleichbleibender Stromstärke drei verschiedene Temperaturen gefordert. 55 und 85 °C sind hierbei fix vorgegeben. Um den Anforderungen zusätzlicher anspruchsvoller Einsatzbereiche gerecht zu werden, wurde seitens Osram als frei wählbare, dritte Temperatur 105 °C ergänzt.

Das Zusammenspiel verschiedener Werkstoffe, zum Beispiel in einer LED-Lampe (Retrofit), stellt die LED vor zusätzliche Herausforderungen. Beispielsweise müssen die Kleber für das LED-Board oder die benötigten Optiken hinsichtlich geringer Ausgasungsmenge sowie ausgasender Inhaltsstoffe ausgewählt werden. Andernfalls kann es zu Kondensationen an Lampenbestandteilen und damit zu einer Beeinträchtigung der Lichtausbeute oder der Zuverlässigkeit kommen. In beobachteten Fällen führen bestimmte Inhaltsstoffe zu Wechselwirkungen mit dem LED-Chip. Bei nicht ausreichender Belüftung kann dies im Betrieb zur Degradation mit einhergehendem Lichtabfall führen.
Mit dem geeigneten thermischen Management und der optimalen Kunststoffauswahl kann die Herausforderung nach immer längeren Lebensdauern, verbunden mit zunehmend höheren Leistungsklassen in vielen Fällen gemeistert werden.
Silikon-Elastomere sind hierbei aktuell die Kunststoffe der Wahl. Inwieweit die stetig steigenden Anforderungen durch Weiterentwicklungen innerhalb dieser Werkstoffklasse gemeistert werden können oder neue Materialen identifiziert werden müssen, ist eine der großen Herausforderungen der
Materialentwicklung.