LED-Diffusionsfolien aus Makrofol® und Wärmemanagement-Lösungen für LED-Anwendungen

Insbesondere die geringere Wärmeentwicklung dieser elektronischen Lichtquelle erlauben heute den Einsatz anderer Werkstoffe wie PMMA oder Polycarbonat. LED-Leuchtmittel emittieren jedoch stark punktförmig das Licht, was gerade bei einer möglichst gleichmäßigen Ausleuchtung mit Licht störend ist.

Die Firma Covestro AG (ehem. BayerMaterialScience) hat sich dieses Themas angenommen. Die Diffusionsfolien bzw. Streufolien Makrofol® LM auf Polycarbonatbasis spreizen das punktförmige Licht so, dass punktförmige Lichtquellen wie LEDs (LED-Spots) zu einer gleichmäßig beleuchteten Fläche verschmelzen und somit die LED-Lichtquelle unsichtbar wird.
Sie erreichen ihren besonderen Streueffekt durch spezielle, in das Material eingebettete Streupigmente bei nur geringer Abschwächung der Lichtintensität an sich.

Durch die mit Makrofol® LM ausgerüsteten Lampen erzielt man eine homogene Ausleuchtung und es wird eine Mehrfachschattenbildung verhindert. Auch beim Einsatz in hinterleuchteten Bauteilen zeigt die Diffusionsfolie Makrofol® LM  bei einer vergleichsweise geringen Bautiefe eine gleichmäßig flächige Ausleuchtung.

Im Vergleich zu den bisher bekannten Diffusionsfolien mit Oberflächenstrukturierung oder Einfärbung wurde das Verhältnis von Streuwirkung zu Lichtdurchlässigkeit nochmals deutlich verbessert. Mit den Diffusionsfolien Makrofol® LM lässt sich das Licht mit minimalem Leuchtkraftverlust gleichmäßig verteilen.

Viele Gestaltungsmöglichkeiten durch eine Vielzahl verschiedener Folien

Makrofol® LM ist in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich. Die Unterschiede liegen vor allem bei der Lichtdurchlässigkeit (Transmissionsgrad) und der Streuwirkung (Halbwertswinkel*). 

Neben den Folien mit intrinsischer Streuwirkung gibt es auch Makrofol® LM – Folien mit aufgeprägten Linienrastern. Diese verbinden punktförmige Lichtquellen wie z.B. von LED`s zu einem Lichtband, was ganz erstaunliche Beleuchtungseffekt ergeben kann.

Aus dem großen Sortiment an Makrofol® LM – Folien kann für jede Anwendung die passende Diffusionsfolie gefunden werden. Das Verkleben von Polycarbonatfolien aus Makrofol® LM miteinander erfolgt mit Lösungsmitteln, Klebebändern (CMC Klebetechnik) oder Reaktionsklebern. Makrofol® LM Diffusionsfolien bzw. Streufolien lassen sich unter Zuführung von Wärme und Druck sowie mittels Ultraschallverfahren verschweißen und können z.T. thermoplastisch geformt werden.

Wärmemanagement für zuverlässige und hochwertige LED-Beleuchtungen

Obwohl LED-Beleuchtungen eine deutlich höhere Energieeffizienz vorweisen können, muß dennoch auf ein ausreichendes Wärmemanagment geachtet werden. Denn bei LED`s entsteht das Licht innerhalb einer sehr kleinen Fläche. Der lichtemittierende Halbleiterkristall (Elektrolumineszenz) erwärmt sich erheblich und muss gekühlt werden.

Bei geringen Leistungen kann diese Kühlung sehr simpel ausfallen oder man kann sogar gänzlich darauf verzichten, da die Anschlussleitungen schon als „Kühlkörper“ ausreichen. Bei Leistungs-LED`s jedoch ist eine bewusste Wärmeableitung notwendig.

LED`s besitzen eine Lebensdauer von 30.000 bis 50.000 Stunden. Damit sie über diese Zeit zuverlässig arbeiten, müssen sie vor Überhitzung geschützt werden. Denn permanent zu warm betriebene LED`s verändert auch ihre Farbtemperatur (die Farbe verändert sich) und Lichtleistung, was sich negativ auf den Lichteindruck auswirken kann.

Aus den oben genannten Gründen werden leistungsfähigere Highpower LED`s bereits herstellerseitig auf einem Metallträger (Miniplatinen, Stars) montiert. Die Idee dahinter ist eine massive Verbreiterung des Wärmeleitpfades. Denn neben der materialspezifischen Wärmeleitfähigkeit geht in die Berechnung des Wärmewiderstandes auch die Fläche mit ein.
Die Miniplatine mit Metallkern kann nun z.B. auf einem Kühlkörper (passive Konvektionskühlung), einer Metallschiene oder einem Peltier-Element (aktive Kühlung, auch möglich: Lüfter) montiert werden.

Schlechter Wärmeübergang reduziert die Wärmeleitung merklich

Bei der Betrachtung des Wärmepfades ist zu beachten, dass durch Oberflächenrauigkeit oder Verformungen infolge thermischer Ausdehnung sich die Anbindung der Miniplatine an einen Kühlkörper verschlechtern kann. Luft ist ein ausgesprochen schlechter Wärmeleiter und daher sind Lufteinschlüsse im Wärmepfad unbedingt zu vermeiden. Ein effizienter Weg ist der Einsatz von Phase-Change Materialien. Diese dünnen wärmeleitenden Schichten schmelzen beim Überschreiten von ca. 50-60°C auf und füllen die Luftkavitäten auf. Die Folge davon ist eine formschlüssige Verbindung zwischen Hochleistungs-LED und Wärmesenke mit guter thermischer Leitfähigkeit.
Die Bedeutung von Übergangswiderständen von einer Oberfläche auf die nächste innerhalb eines Wärmeleitpfades sollte man nicht unterschätzen.

Im Programm der wärmeleitenden Produkte der CMC Klebetechnik gibt es

  • nicht isolierende Produkte (Aluminiumfolie mit wärmeleitenden Beschichtungen)
  • elektrisch isolierende Produkte (z.B. Kapton MT+ Folien mit wärmeleitenden Kleberbeschichtungen)
  • Distanzausgleichende Produkte (Gapfiller bis 10 mm Dicke)
  • Wärmeleitende, doppelseitige Klebebänder für Montage und  Befestigung (z.B. Nitto TR-5320F)

Um die verschiedenen Produkte problemlos einsetzen zu können, ist eine anwendungsgerechte Aufmachung wichtig. Mehrere modulare und flexible Stanzmaschinen, zwei hochpräzise Schneidplotter bis 2050 x 3050 mm Teilegröße sowie etliche Schneid- und Laminiermaschinen lassen kaum einen Wunsch offen. Es können Prototypen-Stückzahlen gefertigt werden, aber auch große Stückzahlen auf rotativen Stanzanlagen. Kundenindividuelle Beschichtungen können auf einem Pilotcoater (Fertigungsbreite 300 mm) schnell und kostengünstig otimiert werden.

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Besuchen Sie die CMC Klebetechnik auf der pcim 2018 in Nürnberg – Halle 6, Stand 6-124

Am 05. Juni 2018 öffnet die diesjährige pcim Europe ihre Tore. Die pcim ist die international führende Messe für

  • Leistungselektronik
  • Intelligente Antriebstechnik
  • Erneuerbare Energie
  • Energiemanagement

In drei Messehallen werden Sie von Internationale Aussteller über die neuesten Produkte, Trends und Entwicklungen in der Leistungselektronik informiert. Die PCIM Europe ist das Technologieforum für die gesamte Wertschöpfungskette der Leistungselektronik, von der Komponente bis zum intelligenten System. Als Besucher der PCIM Europe erhalten Sie einen globalen Überblick über aktuelle Entwicklungen und Trends in der Leistungselektronik.

Besuchen Sie uns! Halle 6 – Stand 6-124
Auch in diesem Jahr ist die CMC Klebetechnik wieder auf der pcim Europe vertreten. Besuchen Sie uns und lernen Sie unser umfassendes Produktprogramm der Wärmeleitenden Materialien kennen.

Neben den Wärmeleitfolien und Klebebändern aus KAPTON® finden Sie bei uns auch eine große Auswahl an Gap-Fillern und Silikonfolien.

Vereinbaren Sie einen Termin mit Ihrem persönlichen Ansprechpartner auf unserem Messestand und sichern Sie sich eine kostenlose Eintrittskarte für die pcim 2018.

Erfahren Sie hier mehr zu unseren Thermal Management Material

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Die Zukunft wird elektrisch – Wandler zwischen DC und AC werden zu Schlüsselelementen dieser Zukunft

Denn trotz der Problematik, dass man elektrische Energie nur schwer (und derzeit noch teuer) speichern kann, sind die Vorteile überwältigend. Strom lässt sich sehr fein regeln, lässt sich über weite Distanzen verlustarm transportieren, kann von pA bis kA zur Verfügung gestellt werden und ist nahezu überall verfügbar.

Die in Deutschland verbrauchte Primärenergie teilt sich zu etwa gleichen Anteilen auf in den industriellen Energiebedarf, die privaten Haushalte und den Verkehr. Dabei verbraucht die Industrie die Energie überwiegend für die Prozesswärme. In Haushalten wird der größte Teil der Energie für Raumwärme aufgewandt sowie zunehmend zur Kühlung. Und im Verkehr wird nahezu 100% des Energieverbrauchs für den Antrieb der Fahrzeuge eingesetzt.

Primärenergie (Wärme, Elektrizität) wird heute noch nahezu ausschließlich aus Kohle, Erdöl und Erdgas gewonnen. Auch die gesamte Basislast-Versorgung an elektrischen Strom wird entweder durch Kohle und Erdöl erzeugt oder in Kernkraftwerken, die jedoch in Deutschland eine überschaubare Restlaufzeit haben.

Um die Erderwärmung zu begrenzen wird vor allem der Anteil der elektrisch verwendeten Primärenergie zunehmend durch regenerative Quellen ersetzt werden müssen. Dass dies heute schon möglich ist, zeigen vor allem Hunderttausende von Haushalten, die bereits über Solaranlagen und elektrische Energiespeicher verfügen. So können zum Beispiel mit Hilfe von elektrisch betriebenen Wärmepumpen sehr effizient die Energieträger Erdöl und Erdgas zur Wärmeerzeugung substituiert werden.

Regenerative Energie wird in Norwegen nahezu ausschließlich aus Wasserkraft gewonnen. Ein Szenario, das im dichtbesiedelten Deutschland unmöglich zu realisieren ist. Hierzulande ist es eher der Energiemix aus Solarer Energie, Windkraft, Biomasse und einer großen Anzahl größere und kleinerer Wasserkraftwerke.

Fast allen Quellen erneuerbarer Energie eigen ist der Umstand, dass der produzierte elektrische Strom zunächst gleichgerichtet wird, um ihn dann frequenzmäßig (50Hz) ans Netz angepasst einspeisen zu können. Dem gegenüber steht eine immer größere Anzahl gleichstrombetriebener Energieabnehmer.

DC/DC und DC/AC Wandler werden Schlüsselkomponenten im Strom-Mix

Möchte man Gleichstrom oder nicht netzfrequenz-konformen Wechselspannungen einspeisen, benötigt man sogenannte Wandler (Umrichter, Wechselrichter, Schaltnetzteile, Spannungsumrichter). Diese Wandler setzen DC in AC und passen dabei auch Spannungsniveaus an. Besonders bidirektionalen Wandlern kommt eine bedeutende Rolle bei der Speicherung und Rückspeisung von elektrischer Energie aus Batterien (DC/AC und AC/DC Wandler) zu.

Die Anzahl von solchen elektronischen Spannungswandlern wird in den nächsten Jahren sprunghaft zunehmen. Vor allem, wenn sich die Idee durchsetzen sollte, das neben den traditionellen Hochspannungsverteilnetzen ein MVDC oder LVDC-Stromnetz eingesetzt wird. Mit Wirkungsgraden bis zu 99% sind gerade die DC/DC Wandler enorm effizient, so dass z.B. Verluste beim Umsetzen vom Mittelspannungs-Verteilnetz auf das lokale Niederspannungs-Gleichstromnetz minimiert werden können. Größere Industrieanlagen, kommunale Einrichtungen wie Krankenhäuser, ganze Rechenzentren oder Wohnblocks mit Solaranlagen-Technik (Stichwort Gebäudeautomation) könnten so direkt mit einer Gleichspannungsschiene von z.B. 380 VDC versorgt werden. Zum Beispiel Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV`s) ließen sich auf diese Weise leicht integrieren und tatsächlich unterbrechungsfrei zuschalten.

Da viele elektrische Geräte intern mit Gleichspannung arbeiten, entfielen viele verlustbehaftete Transformationen von Wechselspannung zu Gleichspannung. Man denke nur an Rechenzentren mit Hunderten individueller AC/DC Netzteilen. Ganz allgemein geht man von Energieeinsparungen von mind. 10-15% aus.

Doch auch ohne diese Gleichstrom-Spannungsebene in einem noch zu schaffenden regionalen Verteilnetz (Smart-Grid; Micro-Grids) werden zunehmend DC/DC Wandler benötigt. In Mild-Hybrid-Fahrzeugen werden zunehmend 48 VDC eingesetzt. Dieses Spannungsniveau fällt noch unter die Kleinspannungsregelung, erlaubt jedoch bereits mittlere Leistungen ohne zu große Leitungsquerschnitte (Gewicht). Auch bei Vollelektrischen Fahrzeugen mit Hochvoltbatterie wird es Komponenten geben, die mit der wesentlich weniger kritischen Kleinspannung von 48 VDC betrieben werden (z.B. Klimaanlage, Assistenzsysteme).

Ein weiterer Einsatzbereich von DC/DC-Wandlern werden die in immer mehr Haushalten installierten Solaranlagen mit Energiespeicher. Tagsüber wird der produzierte Strom in die Batterie eingespeist und in Zeiten mit geringer Quellleistung (z.B. nachts) wird die gespeicherte Energie wieder abgegeben – in beiden Fällen sorgen Wandler für die richtige Spannungsanpassung.

Isolationsfolien und Klebebänder für DC/DC-Wandler

CMC Klebetechnik liefert für solche elektronischen Wandler

  • Isolationsfolie, auch gefiedert als Zwischenlagenisolation oder Abschlußisolation in den Wärmeklassen B, F und H
  • Stanzteile aus flammhemmenden Folien als Isolation zwischen Bauteilen und Platine
  • Gut falzbare, flammhemmende Folien als Gehäusebestandteil (Flammbarriere)
  • Wärmeleitende Produkte zum Ableiten von Verlustwärme (z.B. Gapfiller, Silikonfolien, Kapton® MT/MT+
  • Technische Klebebänder für Isolation, Abdichtung und Befestigung
  • Formstanzteile, z.B. zu Isolation zwischen Gehäuse und Elektronik

PEN-Klebebänder für kostengünstige und dennoch wärmebeständige Isolationen

Die früher häufig eingesetzten 50 Hz Transformatoren wären bei heutigen Leistungsanforderungen in vielen Fällen zu groß. Über eine höhere Taktfrequenz bis zu einigen zig Kilohertz lässt sich das magnetische Bauteil „Transformator“ deutlich verkleinern. Mit modernen elektronischen Schaltern aus Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) kann die Frequenz nochmals erhöht werden. Dennoch sind der Miniaturisierung Grenzen gesetzt. Immer kleinere Bauformen bedeuten eine immer höhere Energiedichte und damit Erwärmungsprobleme.

Neben der Möglichkeit, mit einer aktiven Kühlung die Entwärmung zu verbessern, kann auch der Einsatz höherwertiger Bauteile und Isolationen eine Möglichkeit darstellen, einen zuverlässigen Betrieb zu sichern.

CMC Klebetechnik hat neben den üblichen Polyester-Klebebändern der Wärmeklasse B (130°C Dauerbetriebstemperatur, z.B. CMC 10260) auch Klebebänder für 155°C (Klasse F) und 180°C (Klasse H) im Programm. Da die Wärmealterung eine der Größen ist, die am stärksten die Isolationsfähigkeit begrenzt, kann man mit Isolationsklebebändern einer höheren Wärmeklasse eine längere sichere Betriebsdauer bewerkstelligen.

Für die Wärmeklasse H (180°C) setzt CMC Klebetechnik die Polyimid-Folie Kapton® HN von DuPont ein. Diese Hochleistungsfolie ist extrem widerstandsfähig und hoch belastbar. In Verbindung mit einem Polysiloxankleber sogar bis 350°C.

Wesentliche Isolationsfolie für die Wärmeklasse F (155°C Dauergebrauchstemperatur) ist TEONEX® von Teijin. Diese Polynaphtalat-Folie (PEN) hat eine deutlich verbesserte Wärmestandfestigkeit gegenüber PET bei weiterhin sehr guten elektrischen Werten für Oberflächenwiderstand und Spannungsfestigkeit.

Die Produkte CMC 61100 und CMC 61200 liegen also zwischen der für elektronische Baugruppen recht hohen Wärmeklasse H und der in vielen Fällen nicht mehr ausreichenden Wärmeklasse B. Sie schließen auch die Preislücke zwischen den günstigen PET-Klebebändern und den relativ preisintensiven Kapton®-Klebebändern (z.B. CMC 70100). Es ist daher nicht mehr notwendig, bei Anforderungen oberhalb der Wärmeklass B (Polyesterfolien) gleich auf Polyimidfolien (Kapton®) zurückgreifen zu müssen. TEONEX®-Isolationfolien und daraus hergestellte PEN-Klebebänder sind daher ideal für den Einsatz in temperaturbelasteten, hochkompakten Baugruppen.

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