Die Stunde der Chip-on-Board-LED-Module

Noch bis vor Kurzem hatte ein Ingenieur, der sich für seine Leuchtmittel die Lichtausbeute, Langlebigkeit und Robustheit von LEDs zunutze machen wollte, mit einigen zentralen Herausforderungen zu kämpfen.

Eine der schwierigsten Aufgaben war dabei, die Anzahl der benötigten diskreten LEDs für die jeweils erforderliche „Lichtdichte” (Lichtabgabe pro Flächeneinheit) des Produkts zu bestimmen und anschließend eine Platine zu entwickeln, die den Anforderungen des Arrays im Hinblick auf Leistung und Wärme gerecht wurde und dabei nicht zu viel Platz in der Leuchte einnahm. Danach musste sich der Ingenieur vergewissern, dass sämtliche LEDs in der Gruppe die gleiche Farbe produzierten und so den Erwartungen des Kunden entsprachen.

Inzwischen gibt es eine einfachere Lösung. Die LED-Hersteller haben eine neue Art der „Verpackung” für ihre leistungsstarken Bauteile entwickelt: das Chip-on-Board(COB)-LED-Array. Mit dieser Baugruppe nun hat der jeweilige LED-Hersteller bereits die erforderliche Abstimmung der einzelnen LEDs und die Konstruktion eines geeigneten Trägersubstrats für den „Lichtmotor” vorgenommen. Darüber hinaus können die Hersteller von Leuchtdioden dank der COB-LED-Arrays auch auf Techniken wie die sogenannte Remote-Phosphor-Technologie zur Steigerung der Lichtausbeute zurückgreifen.

Dieser Artikel stellt die neuesten auf dem Markt verfügbaren COB-LED-Arrays vor und gibt einen Ausblick auf die Entwicklung des Bereichs in der nahen Zukunft.

Die Nachteile von diskreten LED-Arrays

Obwohl sich die Leistung von LEDs erheblich verbessert hat, ist die Lichtabgabe von einzelnen Bauteilen immer noch nicht ausreichend für eine gängige Beleuchtungslösung. So erzeugt zum Beispiel eine 100-W-Glühlampe mit 120 V 1.700 Lumen (bei einer Lichtausbeute von etwa 17 lm/W). Demgegenüber erzeugt eine gängige LED wie die OSLON SSL 150 von OSRAM 136 lm (350 mA, 3,1 V, 125 lm/W). Ein Ingenieur würde demnach ein Dutzend der LEDs von OSRAM benötigen, um in etwa dieselbe Lichtausbeute wie die Glühlampe zu erzielen.

Das Problem dabei: der physische Platz, den die LEDs beanspruchen (typischerweise einige Quadratzentimeter). Darüber hinaus ist die Zusammenfassung von LEDs zu Arrays auch unter den Aspekten Beleuchtung, Optik und Herstellung nicht unproblematisch.

So ist es schwierig, die Lichtqualität eines LED-Arrays zu optimieren. Zwar ordnen die LED-Hersteller die LEDs in Gruppen mit etwa derselben Farbtemperatur (CCT) und Leuchtkraft ein, aber das exakte Abstimmen der einzelnen Bauteile, damit der Verbraucher keinen Unterschied bemerkt, ist teuer und zeitaufwendig.

Ein weiteres Problem bei einem großen LED-Array ist der Umstand, dass die Bauteile unterschiedlich schnell altern. So können viele der LEDs in einer Leuchte noch eine lange Lebensdauer haben, während andere nicht mehr voll funktionstüchtig sind – mit dem Ergebnis, dass der Verbraucher die gesamte Leuchte entsorgt. Schließlich ist die Montage eines aus vielen LEDs bestehenden Arrays schwierig und arbeitsintensiv, was die Kosten weiter hochtreibt. (Siehe dazu auch den TechZone-Artikel „LED Packaging and Efficacy Advances Boost Lumen Density, der sich damit beschäftigt, wie die Verpackung von LEDs und Fortschritte bei der Lichtausbeute die Lichtdichte verbessern.)

Keine Montage mehr

Um das Problem der Entwicklung und anschließenden Montage eines LED-Arrays zu lösen, bieten die LED-Hersteller jetzt eine modulare Lösung in Form eines COB-LED-Arrays an. Ein derartiges Array verfügt über ein Keramikgehäuse und zeichnet sich durch ein hohes Maß an Integration aus.

Dank der COB-LED-Arrays müssen die Hersteller von Leuchten nun keine einzelnen LEDs mehr auf einer Platine anordnen bzw. dies von einer anderen Firma ausführen lassen. Ein weiterer Vorteil, der die Herstellung vereinfachen kann, ist der Umstand, dass die COB-Gehäuse für die manuelle Montage geeignet sind. So können die COB-Gehäuse mit Epoxid oder auf mechanische Art und Weise auf dem Kühlkörper angebracht werden, ohne dabei viele Ingenieure zu binden. (Siehe dazu auch den TechZone-Artikel „Consider Packaging for Performance Improvements, Cost Reduction“, der sich damit beschäftigt, wie die Verpackung die Leistung verbessern und die Kosten senken kann.)

Molex bietet eine Reihe von Halterungen für COB-LED-Arrays für die unten beschriebenen Produkte von Bridgelux und Cree an (Abbildung 1).


Abbildung 1: COB-LED-Arrayhalter von Molex passen zu Produkten mehrerer großer LED-Hersteller.

Die Vorzüge der COB-LED-Arrays beschränken sich dabei nicht auf die Montage, sondern betreffen auch einige Aspekte der Optik. So verfügen die Bauteile üblicherweise über eine einzelne abstrahlende Fläche in Form einer mit Phosphor beschichteten Scheibe. Konventionelle weiße LEDs verwenden eine blaue LED und verschieben das Licht im Rahmen der Stokes-Verschiebung mithilfe von Phosphor, das mit der seltenen Erde Cer dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) enthält. Die LED und das Phosphor befinden sich dabei in einer einzelnen gemeinsamen Verpackung.

Allerdings behaupten etliche Forscher, dass sogenannte Remote-Phosphor-Bauteile (bei denen sich das Phosphor in einer Scheibe befindet, die in einiger Entfernung von der blauen LED angebracht ist bzw. – im Fall eines COB-LED-Arrays – in einiger Entfernung von der einzelnen abstrahlenden Fläche) die Lichtausbeute verbessern und die Lebensdauer der LEDs erhöhen. (Siehe dazu auch den TechZone-Artikel „Remote Phosphor Offers Alternative to White LEDs“, der sich mit Remote-Phosphor als Alternative zu weißen LEDs beschäftigt.)

COB-LED-Arrays für gewerbliche Anwendungen

Die großen LED-Hersteller haben verschiedene Produktreihen von COB-LED-Arrays für gewerbliche Anwendungen auf den Markt gebracht. So hat Cree kürzlich ein COB-LED-Array vorgestellt, das als XLamp-CXA-Lösung bezeichnet wird. Nach Angaben des Unternehmens handelt es sich hierbei um eine bahnbrechende Technologie, mit der die Intensität von Strahlern gegenüber den bisherigen Arrays verdoppelt wird. Weiterhin gibt das Unternehmen an, dass Hersteller von Leuchten mit dem ersten aus dieser Reihe stammenden Produkt, der CXA1520-LED, nun Produkte entwickeln können, die die gleiche Leuchtkraft wie eine 39-W-Keramik-Metalldampflampe erzielen, dabei aber bis zu 50 Prozent weniger Strom verbrauchen.

Die CXA1520-LED-Arrays erzielen bis zu 3.478 Lumen bei 33 W (bei 85 °C). Das Produkt ist mit Farbtemperaturen von 2.700 bis 5.000 K erhältlich und weist wahlweise einen Farbwiedergabeindex von 70, 80 oder 95 auf.

Des Weiteren zeichnet sich das CXA-Array durch eine gleichmäßig abstrahlende Fläche aus, die sowohl gerichtete als auch ungerichtete Beleuchtungsanwendungen und Leuchtmittel-Designs ermöglicht (Abbildung 2). Das Produkt ist in zwei- und vierstufiger Farbkonsistenz mit einer optischen Quelle von 19 mm erhältlich.


Abbildung 2: Das CXA-Array von Cree bietet eine gleichförmige Emissionsfläche.

Dem will Seoul Semiconductor mit seiner ZC-Reihe nicht nachstehen. Da es sich bei der ZC-Reihe nach Angaben des Unternehmens um COB-Bauteile handelt und die LEDs damit nicht per Oberflächenmontage angebracht werden müssen, können die Hersteller von Leuchten den Prozess der Chipverbindung umgehen und somit Kosten sparen.

Laut Seoul Semiconductor sorgen die „hoch reflektierenden Aluminiumsubstrate” für eine bessere Helligkeit und verlängern die Lebensdauer der LEDs. Die ZC-Reihe ist mit 6, 10 und 16 W erhältlich, was nach Aussage des Unternehmens ein geeigneter Ersatz für 40- und 60-W-Glühlampen bzw. 100-W-Downlights ist.

Zudem ist die ZC-Reihe mit Farbtemperaturen von 2.700 bis 5.600 K und einem Mindestfarbwiedergabeindex von 70 oder 80 erhältlich und kann 2400 Lumen erzielen (bei einem Durchlassstrom von 480 mA). Wie das Produkt von Cree verfügt auch die ZC-Reihe von Seoul Semiconductor über eine gleichmäßig abstrahlende Fläche für das LED-Array, die einen Durchmesser von 19 mm aufweist.

Als konkurrierendes Angebot in diesem Bereich bietet Bridgelux seine Reihe ES Rectangle Array (Abbildung 3) an. Nach Angaben des Unternehmens zeichnen sich diese kompakten Highflux-Lichtquellen durch eine gleichmäßige Beleuchtung ohne Mosaikeffekt oder Schatten aus, die häufig bei Beleuchtungslösungen mit diskreten LEDs auftreten. Die neueste Generation von Luxeon-COB-LED-Arrays erzielt 700 bis 3.000 Lumen sowie eine typische Lichtausbeute von 90 bis 130 lm/W. Die Bauteile sind mit Farbtemperaturen von 2.700 bis 5.700 K und einem Farbwiedergabeindex von 70, 80 oder 90 erhältlich.


Abbildung 3: Die rechteckige ES-Array-Serie von Bridgelux steht in einer 19 mm Version zur Verfügung.

Nach Aussage des Unternehmens verringern die Bauteile, die über eine einzelne abstrahlende Fläche mit einem Durchmesser von 19 mm verfügen, die Systemkomplexität und ermöglichen kostengünstige Miniaturdesigns von Lampen und Leuchtmitteln. Dank des geringeren thermischen Widerstands können kleinere Kühlkörper verwendet bzw. die Zuverlässigkeit der Beleuchtungsanlage verbessert werden, falls ein größerer Kühlkörper eingesetzt wird.

Die Zunahme von COB

Die Kostenvorteile von COB-LED-Arrays gegenüber diskreten LEDs, bei denen zunächst eine Platine als Trägerplattform entwickelt und die Bauteile anschließend montiert werden müssen, sind für die Hersteller von Leuchtmitteln ein schlagendes Argument. Auf diese Kostenvorteile ist denn auch das dramatische Wachstum dieses Bereichs zurückzuführen.

Laut dem Marktforschungsunternehmen Research & Markets wird für den COB-LED-Markt für den Zeitraum von 2013 bis 2018 eine jährliche Wachstumsrate von 40,71 Prozent prognostiziert. Neben den anderen Vorteilen ist laut dem Unternehmen einer der wichtigsten Faktoren für dieses Wachstum der fallende Preis von LEDs. Ein Großteil der steigenden Nachfrage geht von gängigen Beleuchtungslösungen aus.

Auch wenn die Prognosen etwas zu optimistisch sein mögen – der Bereich der COB-LED-Arrays wird in den nächsten Jahren wahrscheinlich erheblich wachsen. Es kann deshalb davon ausgegangen werden, dass weitere LED-Hersteller schon sehr bald entsprechende Produkte auf den Markt bringen werden.