Ein kleiner Tropfen Silicon - Wacker Chemie AG


Ein kleiner Tropfen Silicon

... aber ein großer Schritt für die effiziente Massenfertigung der LED. Mit LUMISIL®-Hochleistungssiliconen von WACKER lassen sich Leuchtdioden ohne aufwändige Spritzgussprozesse herstellen. Die optische Linse bildet ein Silicon, das direkt auf den Chip getropft wird.

Querschnitt durch eine LED mit Siliconline

Die Erfolgsgeschichte der LED

Nach ihrer Erfindung im Jahr 1962 führte die lichtemittierende Diode zunächst drei Jahrzehnte lang ein Nischendasein. Sie konnte nur farbiges Licht, vor allem Rot, Gelb und Grün, ausstrahlen und diente beispielsweise als Stand-by-Schaltungsanzeige in Elektrogeräten oder als Anzeige im Auto-Armaturenbrett, die infrarote Variante war auch als Infrarotsender in Fernbedienungen gebräuchlich.

Erst als in den neunziger Jahren blaue und weiße LEDs auf den Markt kamen, erweiterte sich ihr Einsatzspektrum stetig. Im Jahr 2010 verfügte, laut der Marktforschungsagentur DisplaySearch bereits jeder vierte LCD-Fernseher, der weltweit verkauft wurde, über eine LED-Hintergrundbeleuchtung. Bei Autos haben sich LED-Tagfahrleuchten von der Ober- in die Mittel- und Kompaktklasse vorgearbeitet.

Auch der Markt der Allgemeinbeleuchtungen, der Straßen-, Schaufenster- oder Raumbeleuchtung, der lange Zeit das Stiefkind der LED war, wächst seit etwa zwei Jahren rasant. Die Siemens-Tochter OSRAM, einer der weltweit führenden Leuchtmittelhersteller, rechnet mit einer Fast-Verdreifachung des Marktvolumens für LEDs bis zum Jahr 2012. Zum Marktwachstum im Bereich Allgemeinbeleuchtung trägt auch das Verbot der klassischen Glühbirne bei, deren Produktion in den meisten Industrienationen wegen ihrer geringen Energieeffizienz schrittweise ausläuft.

Längere Lebensdauer aber aufwendiger Herstellungsprozess

LEDs sind aber nicht nur der Glühbirne, sondern in mancher Hinsicht auch dem derzeit gängigen Ersatz überlegen, der Kompaktleuchtstoffröhre, umgangssprachlich Energiesparlampe genannt. Mit einer durchschnittlichen Lebensdauer von 50.000 Stunden halten LEDs deutlich länger als Energiesparlampen (rund 10.000 Stunden, je nach Modell), ihre Lichtausbeute ist höher (künftig etwa 200 Lumen pro Watt bei Spitzenmodellen), sie kommen ohne giftiges Quecksilber aus, und ihr Licht wirkt wärmer und farbechter als das kältere Licht der Leuchtstoffröhre, die dafür preisgünstiger ist und eine gleichmäßigere Lichtverteilung im Raum bietet.

Einzig die vergleichsweise hohen Anschaffungspreise bremsen derzeit noch den Siegeszug der LED. Neben der eigentlichen Diode treiben auch die Siliconlinsen, die für die Abstrahlung des Lichtes sorgen und zugleich das Halbleiter-Bauelement vor Umwelteinflüssen schützen, die Herstellungskosten in die Höhe. Bislang wurden diese Linsen bei den LED-Herstellern in einem aufwendigen Spritzgussverfahren erzeugt, wofür nicht nur teure Spritzgussmaschinen, sondern auch hochpräzise Formen, Dosier-, Sortier- und Montageeinrichtungen nötig waren – insgesamt fünf Arbeitsschritte, die noch dazu alle unter Reinraumbedingungen stattfinden

Proben im Labor zur Rheometrie

Kostengünstige Herstellung

Mit einem neuen Siliconelastomer, das WACKER unter der Markenbezeichnung LUMISIL® anbietet, ist es jetzt erstmals möglich, die optischen Linsen für LEDs über einen Dispensprozess direkt auf dem Halbleiter zu erzeugen. In einem einzigen Arbeitsgang wird dazu das Silicon direkt auf den Chip aufgetropft. Die Aushärtung und Ausbildung der Linsengeometrie erfolgt nach einer Aktivierung per UV-Licht.

„LUMISIL® ermöglicht das extrem schnelle, kostengünstige Herstellen von optischen Linsen für Leuchtdioden mit einem entsprechenden Durchsatz ohne aufwendige Formung“, erklärt Dr. Phillip Müller, der bei WACKER für die Entwicklung dieses optischen Hochleistungssilicons verantwortlich zeichnete. Das Fließ- und Vernetzungsverhalten von LUMISIL® sei sehr intelligent – ausschließlich durch den Verguss entstehe die optische Linse, deren Abstrahlcharakteristik für Aufgaben in der Allgemeinbeleuchtung völlig ausreichend sei.

Aber nicht nur die Vorteile im Verarbeitungsprozess, auch die Materialqualitäten sprechen für den Einsatz von LUMISIL®. Das Silicon ist lichtbeständig, es vergilbt nicht, versprödet nicht und schützt den Halbleiterchip vor Hitze, Kälte und anderen Belastungen wie Feuchtigkeit. Auch Temperaturen von 270 Grad Celsius und mehr, wie sie etwa beim bleifreien Löten während der Weiterverarbeitung der LED durch die Leuchtenhersteller entstehen, übersteht die Siliconlinse ohne Weiteres – im Gegensatz zu alternativen, früher verwendeten Werkstoffen wie Epoxidharzen. „An der Helligkeitssteigerung von 15 Prozent bei unseren LEDs hat der Einsatz des UV-aktivierbaren Silicons von WACKER einen nicht unerheblichen Anteil“, sagt Dr. Michael Kruppa, Senior Manager Materialentwicklung der Backend-Technologie bei OSRAM Opto Semiconductors, der LED-Tochter des Leuchtmittelherstellers, mit Sitz in Regensburg.

Ausgewählte Anwendungen

Bei OSRAM Opto Semiconductors wird LUMISIL® für LEDs der Serie Golden Dragon Plus eingesetzt, eine der verbreitetsten Produktreihen des Herstellers für Aufgaben in der Allgemeinbeleuchtung.

In der folgenden Bildstrecke zeigen wir fünf ausgewählte Anwendungen, bei denen mit LUMISIL® von WACKER vergossene LEDs der Serie Golden Dragon Plus von OSRAM zum Einsatz kommen: von den Fußballstadien der WM in Südafrika über die Straßenbeleuchung sibirischer Städte bis zur Beleuchtung dänischer Treibhäuser.