Abb.: Die Hauptursachen für Ausf?lle des LED-Geh?uses
Abb.: Die Hauptursachen für Ausf?lle des LED-Geh?uses

Der thermische Widerstand "Junction to Case" ist ein wichtiger Parameter für die Zuverl?ssigkeit der elektronischen Bauteile wie Leuchtdioden (LEDs) und Leistungsmodule. Denn die Degradation dieser Bauelemente ist temperaturabh?ngig. LED-Systeme lassen sich heute nicht nur in High-Power-, Mid-Power- und Low-Power-Anwendungen unterscheiden, sondern auch hinsichtlich der Zuverl?ssigkeit, d. h. hohe und niedrige Zuverl?ssigkeit. Auf der einen Seite stehen preiswerte LED-Konsumgüter und leider zum Teil auch LED-Ersatzlampen auf der Low-Zuverl?ssigkeitsseite der Beleuchtungsanwendungen. Auf der anderen Seite bestimmen Zuverl?ssigkeit und lange Lebensdauer den ?konomischen und ?kologischen Erfolg von High-End-LED-Beleuchtungssystemen, z. B. in der Au?enbeleuchtung, der Signaltechnik, in LED-Systemen für die Landwirtschaft und in der Automobilbeleuchtung. LED-Beleuchtungssysteme k?nnen im Allgemeinen eine sehr lange Lebensdauer von bis zu 100.000 h erreichen, wenn sie entsprechend ausgelegt sind und Gesch?ftsmodelle auf dem st?rungsfreien Betrieb der Lichtquellen basieren. Die Sperrschichttemperatur und der Ansteuerstrom sind die Schlüsselparameter, die den Lumenabbau bestimmen. Neben dem langsamen Lumenabbau k?nnen auch katastrophale Ausf?lle der LED auftreten. Um diese Ausf?lle zu eliminieren, sind nicht nur das Die- und Geh?usedesign, sondern auch die Prozess- und Materialkontrolle bei der Herstellung wichtig. Schlie?lich sind auch die Umgebungsbedingungen w?hrend des Betriebs wie Feuchtigkeit, korrosive Atmosph?re und thermomechanische Belastung grundlegend für die Lebensdauer der LED-Systeme.

 

Abb.: Eine schematische Darstellung des thermischen Pfades innerhalb des LED-Geh?uses
Abb.: Eine schematische Darstellung des thermischen Pfades innerhalb des LED-Geh?uses

Da viele Ausf?lle durch die Sperrschichttemperatur TJ einer LED hervorgerufen werden, ist das W?rmemanagement für die Realisierung kostengünstiger, aber zuverl?ssiger LED-Systeme unerl?sslich. Die transiente thermische Analyse (TTA) ist ein leistungsf?higer Ansatz zur Messung der Sperrschichttemperatur der LEDs in einem System und des thermischen Widerstands Rth_el des LED-Moduls und ist im MIL-STD-750F (Serie 3100) standardisiert.

1. Automatisches thermisches Transientenprüfger?t auf Plattenebene

TTA ist derzeit noch arbeits- und zeitaufwendig und nicht automatisiert. Dieses Zentrum hat einen automatischen TTA-Tester auf Plattenebene entwickelt. Der Tester zielt darauf ab, die TTA w?hrend der Zuverl?ssigkeitsbewertung und für die Produktionsinspektion zu erleichtern. Das LED-Panel wird auf dem temperaturstabilisierten Tisch eines xyz-Systems platziert.

Abb.: Der selbst entwickelte automatische TTA-Tester
Abb.: Der selbst entwickelte automatische TTA-Tester

Die Position der elektrischen Testpads der LEDs werden aus Gerberdaten in die Maschine eingelesen. Die Messelektronik ist auf dem xyz-System montiert, um die Verwendung von kurzen Kabeln mit geringer parasit?rer Induktivit?t zu erm?glichen. Die LEDs werden mit 4-Punkt-Sonden kontaktiert. Um den thermischen Widerstand zwischen dem LED-Die (First-Level-Interconnect) und dem Substrat aufzul?sen, muss die Vorw?rtsspannung der LEDs nach der Stromschaltung so früh wie m?glich gemessen werden, d.h. weit unter 10μs. Die entwickelte Stromquelle erm?glicht ein sehr schnelles Schalten innerhalb von 100ns und stabilisiert den Detektionsstrom innerhalb von weniger als 5μs. Zur Bewertung des thermischen Pfades und des thermischen Widerstandes wird die Methode der relativen thermischen Widerstandsmessung angewendet.

TTA kann auch für Zuverl?ssigkeitstests eingesetzt werden. Der Ort von Ausf?llen kann identifiziert werden. Zum Beispiel ist es m?glich, zwischen Fehlern wie Delaminierung des LED-Chips oder Rissen der L?tverbindung vom LED-Geh?use zur Leiterplatte (PCB) zu unterscheiden.

Abb.: Ergebnisse der TTA, die Fehler in der L?tstelle aufweisen und (b) Ein Bild, das ein Beispiel für den gebildeten Riss an der L?tstelle im LED-Geh?use zeigt
Abb.: Ergebnisse der TTA, die Fehler in der L?tstelle aufweisen und (b) Ein Bild, das ein Beispiel für den gebildeten Riss an der L?tstelle im LED-Geh?use zeigt

2. In-situ-TTA-Prüfeinrichtung für kombinierte Hochtemperatur-Betriebsdauer und Temperaturzyklus

Zur In-Situ-Messung des thermischen Pfades wurde ein neues Testsystem aufgebaut. Die LED-Module sind auf einem temperaturgesteuerten Kühlk?rper montiert, dessen Temperatur zwischen niedriger (Tmin = -20°C), mittlerer (TRT = +25°C) und hoher (Tmax = 125°C) Temperatur getaktet wird. Die LEDs k?nnen w?hrend des Tests abgeschaltet werden (passiver Temperaturzyklustest) oder sie werden mit Nennstrom betrieben (kombinierte Betriebsdauer und Temperaturzyklus). Die LEDs sind über einen Multiplexer mit der gepulsten Stromquelle verbunden. Durch einen zus?tzlichen Treiber und Schalter k?nnen alle LEDs kontinuierlich ein- oder ausgeschaltet werden.

Im kombinierten Lebensdauer- und Temperaturzyklustest werden die LEDs kurzzeitig abgeschaltet und mittels TTA wird der Zth(t) gemessen. Aufgrund der unterschiedlichen thermo-mechanischen Beanspruchung unter hei?en und kalten Bedingungen k?nnen zus?tzliche Informationen gewonnen werden. Ziel ist es, Ausf?lle durch Messungen bei Raumtemperatur, Tmax und Tmin früher zu erkennen.

 

Abb.: Ein Bild des intern entwickelten in-situ TTA-Testers für kombinierten HTOL- und Temperaturzyklus
Abb.: Ein Bild des intern entwickelten in-situ TTA-Testers für kombinierten HTOL- und Temperaturzyklus

Offene Stellen

Bei Interesse an offenen Stellen für Studentische Arbeiten innerhalb der Forschungsgruppe, senden Sie bitte eine Mail mit Lebenslauf an assistenz-iimo-elger@thi.de.