Fehleranalyse an LEDs

Transkript

1 Forum OPTICS meets ELECTRONICS SMT 2009 Fehleranalyse an LEDs R. Pusch Stuttgart Zwolle Nördlingen Dresden Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 1 Ziel der Präsentation: Überblick über Fehleranalyse an LED Methoden der Fehleranalyse Typische Fehlerbilder Zusammenfassung Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 2 1

2 Einsatzfelder und Märkte Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 3 LEDs - Funktionsprinzip und Technologien PN-Übergang (Epitaxieschichtsystem, MQW) Elektron-Loch-Rekombination mit Lichtemission III-V-Halbleiter (InAlGaP - rot, InGaN - blau, Ga1-x AlxAs - IR) Primäre Funktionsparameter: Strom, Temperatur in aktiver Schicht Tj n-crystal p-crystal + Metalic Contact - + Epitaxy Layer Substrate Depletion zone - Electrons Holes Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 4 2

3 LEDs Aufbau-Technologien Wesentliche Faktoren: Erzeugung Licht (Wirkungsgrad Halbleiter) Abstrahlung Licht (Optik, Relexionsflächen) Zuführung Strom (Bond, Löt-, Klebeverbindungen) Entwärmung (therm. Kontakt, Kühlkörper) Schutz (vor Feuchtigkeit, aggressiven Chemikalien) Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 5 Wege zur Fehlerfindung Fragen Wo wurde die LED/Modul betrieben Wie lange Welche Ansteuerung Messen I/U Kennlinien Lichtstärke Farbort/ Wellenlängen Abstrahl- Charakteristik Nicht zerstörende Prüfung Röntgen Lichtmikroskopisch Ultraschall Zerstörende Prüfung Schliffe Gehäuse öffnen Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 6

4 Fragen stellen Richtige Fragen führen zum Problem Wie wurden die LEDs verarbeitet? Wo und wie wurden sie gelagert Wie ist das reale Klimaprofil in der Applikation Welchen anderen Belastungen ist die LED ausgesetzt? Verhalten sich alle LEDs gleich? Gibt es Gruppen? Unterschiede nach Farbe, Lage auf dem Board Nach Stromversorgung Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 7 Beispiel Fehleranalyse Flow Wichtig: den Analyse Flow festlegen Aktion Bedingungen DUTs visuelle Inspektion (opt. mechanischer Aufbau, Design, Anzahl und Nr. der BE Mikroskop) allg. Auffälligkeiten Spannungsabfall Einzel- 10mA, 100mA, 25 C Anzahl und Nr. der BE LED LIV-Kurve Einzel-LED Leckstrom Einzel-LED Nahfeldmessung Einzel- LED Öffnen von Gehäuse & Freilegen Chip visuelle Inspektion (opt. Mikroskop REM & EDX Schleifen/Polieren (Querschliffe visuelle Inspektion (opt. Mikroskop) REM & EDX C V 20mA, 25 C (Lichtverteilung, Abbildung auf Kamera) Schliffe Mechan. Entfernen v. Silikonmasse Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 8

5 Sichtprüfung Auf Verfärbung des Gehäuses Mechanische Veränderungen Verschmutze Linse Verbogene Beinchen Veränderungen auf der Leiterplatte Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 9 Elektro-optische Charakterisierung Dioden Kennlinien messen und mit Gutmuster vergleichen Vorwärtskennlinie U [V] 3,6 3,5 3,4 3,3 3,2 3,1 3 2,9 2,8 2,7 2, I [ma] neu #01 224li #01 224li #04 389li #03 389li # li # li # li #05 221re #06 335li #02 335li #03 Rückwärtskennlinie I [ na] ,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 U [V] Ref I [ma] 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8-1,0-1,8-1,7-1,6-1,5-1,4 U [V] I [na] U [V] Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 10

6 Elektro-optische Charakterisierung Wellenlänge messen und mit Gutmuster vergleichen spektrale Leistung [rel. Einheiten] 1,0 0,9 # 1 0,8 # 2 0,7 # 6 ref 0,6 # 7 0,5 # 8 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Wellenlänge [nm] Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 11 Nicht zerstörende Prüfung LED unter Betrieb Gut: LED leuchtet flächig Defekt: LED leuchtet eingeschränkt Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 12 6

7 Nichtzerstörende Prüfungen Röntgenuntersuchung auf: Bonddrahtführung Bondverbindung/ Abhebungen Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 13 Zerstörende Prüfungen Lichtoptische Untersuchung am geöffneten Gehäuse Abmessungen und Struktur der LED Aufbau des Gehäuses Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 14 7

8 Zerstörende Prüfungen Schliffbilder Bondverbindungen Gehäuseaufbau Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 15 Zerstörende Prüfungen Schliffbilder unter dem REM: Bondverbindungen Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 16

9 LED - Fehlermechanismen Unterscheidung zwischen verschiedenen Ebenen LED-Chip LED-Aufbau - intern LED-Aufbau - extern Beschleunigte Alterung graduelle Abnahme der optischen Leistung in Zeit deutlich geringer als erwartete Lebensdauer Katastrophaler Fehler: plötzlicher Ausfall Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 17 LED Fehlermechanismen - LED-Chip ESD (Electro Static Discharge) Je nach Grad der Schädigung latenter Fehler oder plötzlicher Ausfall Nachweis über erhöhten Leckstrom EOS (Electrical Over Stress): elektrische und thermische Überlast Instabile Stromversorgung (Spitzen) Leckstrom [na] 1000,00 100,00 10,00 1,00 0,10 Ausfälle Referenz-LED 0, Sperrspannung [V] Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 18 9

10 LED Fehlermechanismen - LED-Chip Eindringen von Feuchtigkeit oder schädigenden Fremdstoffen Veränderungen im Kristallaufbau oder an Grenzflächen Korrosion an Oberflächen Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 19 LED Fehlermechanismen - LED-Chip Beispiel für Elektro - Luminiszens gut Ausfall Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 20 10

11 LED Fehlermechanismen LED-Aufbau Ablösung Chip-Substrat-Verbindung Erhöhung elektrischer Widerstand und Betriebsspannung (zeitl. instabil) Erhöhung thermischer Widerstand und somit Tj Ursache: Fehler in LED-Fertigung oder thermische Überlast in Lötprozess Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 21 LED Fehlermechanismen - LED- Aufbau Ablösung Chip-Bonddraht-Verbindung Bruch in Bonddraht- Mögliche Ursachen: Fehler in LED-Fertigung thermische Überlastung durch Lötprozess mechanische Überlastung bei Verarbeitung (Pick and Place) Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 22 11

12 LED Fehlermechanismen - LED- Aufbau Eindringen von Feuchtigkeit oder schädigenden Fremdstoffen mangelnde Dichtheit von Gehäuse Korrosion von Oberflächen Schwächung von Grenzflächen (elektr., therm. Kontakt) Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 23 LED Fehlermechanismen - LED- Aufbau LED-Vergussmasse Degradation durch UV-Anteil im Sonnenlicht Risse in Verpackung von 2-Pin-LEDs (Biegen von Pins) Phosphor (weiße LEDs) Degradation durch LED-Licht (Gelbfärbung) Alterung im allgemeinen stärker als Chip Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 24 12

13 LED Fehlermechanismen - LED- externer Aufbau Löten Thermische Belastung (Lötprofil) Feuchtigkeit in LED (Lagerung) Vergießen, Schutzlack Mechanische, thermische Belastung Reaktion mit ausgasenden Stoffen Inhomogener thermischer Kontakt Thermische Belastung (thermal runaway - Inhomogenitäten verstärken sich mit der Zeit und führen zu plötzlichem Ausfall) Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 25 Zusammenfassung Systematisches Vorgehen beim Einkreisen der Fehler Methoden zur Analyse Fehlerbilder von LEDs Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 26 13

14 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Treffen Sie uns in Halle 6 Stand 424 Fehleranalyse an LEDs- Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 27