Trotz ihrer hohen Effizienz erreicht eine LED im Betrieb hohe Wärmeleistungsdichten. So ergibt sich bei einer elektrischen Leistung von 1 W und einem Wirkungsgrad von 90 Prozent eine Flächenheizleistungsdichte von 100 kW/m². Dies entspricht etwa dem Doppelten einer handelsüblichen Kochplatte. Hohe Betriebstemperaturen wirken sich zum einen negativ auf die Lebensdauer der LED aus (die Lebensdauer nimmt mit steigender Temperatur exponentiell ab), zum anderen bewirken sie langfristig eine unerwünschte Farbveränderung der LED.
Mit Hilfe von Infrarot-Thermografie lässt sich die Oberflächentemperatur von LED-Modulen kontaktlos und ortsaufgelöst bestimmen. So werden die Bereiche des Bauteils erkennbar, die eine höhere thermische Belastung erfahren. Oftmals sind die zu untersuchenden Bereiche nicht auf der Oberfläche, sondern werden durch andere Materialien wie Verkapselungsmaterialien oder Dome, die im Infraroten nur teiltransparent sind, überdeckt. Um die Transmittanz dieser Materialien im infraroten Spektralbereich zu charakterisieren, wird die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie eingesetzt, mit der sich der Einfluss verschiedener Materialien auf die Thermografie-Messung bestimmen lässt. Um Hotspots innerhalb eines LED-Packages abbilden zu können, ist eine noch höhere Ortsauflösung notwendig. Für diese Messaufgaben kann am Fraunhofer-Anwendungszentrum zusätzlich ein Infrarot-Mikroskop verwendet werden, das laterale Auflösungen im Bereich weniger Mikrometer ermöglicht.
Für die theoretische Beschreibung des Wärmetransports innerhalb eines Bauelementes müssen sowohl die Wärmekapazität, die Wärmeleitfähigkeit als auch die Geometrie der beteiligten Materialien und Baugruppen bekannt sein. Hierfür stehen am Fraunhofer-Anwendungszentrum kalorimetrische und mikroskopische Messverfahren zur Verfügung. Mit den Untersuchungsergebnissen können Bauelemente in ihrer Zusammensetzung überdacht und effektiv in Hinblick auf gesteigerte Effizienz und Lebensdauer angepasst werden.
Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
