Seminar Bayerisches Laserzentrum LED in der Beleuchtungstechnik Workshop: Auswahl von LEDs in der Beleuchtungstechnik

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1 Seminar Bayerisches Laserzentrum LED in der Beleuchtungstechnik Workshop: Auswahl von LEDs in der Beleuchtungstechnik R. Pusch Stuttgart Zwolle Nördlingen Dresden Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 1

2 Ziel der Präsentation LED Auswahl Datenblattangaben Messungen Aufbau und Verbindungstechnik Problemfelder aus der Praxis LED/Lampen Zuverlässigkeit Was beeinflußt die Zuverlässigkeit? Wie kann man sie prüfen? Zusammenfassung Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 2

3 Einsatzfelder: Beleuchtung mit LED Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 3

4 LED - 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 Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 4

5 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) Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 5

6 LED Lampenspezifische Herausforderung Chip Wärmewiderstand Packaging Optical axis/parameters Electrical control V BAT Control R SENSE LED Lamps Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 6

7 Auswahl LED Auswahl Umfassende Spezifikation der Anforderungen Uf, Imax, Pulsanforderungen Temperaturbereich If / Lichtstärke über Tamb/j Applikationsspezifisch Anforderungen beachten Application notes des Herstellers beachten/anfordern LED Umgebungsbedingungen Verarbeitung Lötprofile beachten Abwärme optimieren in der ganzen Kette Ansteuerschaltung / Modus LED ist sehr empfindlich gegen ESD Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 7

8 Anmerkungen zur Spezifikation der Hersteller Ist alles festgelegt, was gebraucht wird? Liegen Ihre Anforderungen innerhalb oder außerhalb der min/max Grenzen typisch sagt gar nichts! Vergleichen von Herstellerangaben Applikations-Notes einfordern In den Fußnoten steht oft die Wahrheit Auch bei Gehäusematerialien auf Feinheiten achten Gegen was ist die LED empfindlich? Immer die neueste Ausgabe verwenden Möglichst als Spezifikation festlegen Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 8

9 Anmerkungen Spezifikation der Hersteller Die optische Parameter sind sehr stark temperaturabhängig Vorsicht typische Werte sind oft auf 25 Umgebungstemperatur bezogen Die Chiptemperatur in der Applikation ist immer höher Die Vorwärtsspannung schwankt stark bei den LEDs Das führt zu deutlich höheren Verlustleistungen Statt Vorwiderstand eine Reglerschaltung verwenden Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 9

10 Fehler vermeiden - durch geeignete Auswahl Chip Technologie Gehäusetyp den richtigen Hersteller den richtigen Verbindungsprozess (Boardlayout) => ein klares Anforderungsprofil (Spezifikation) => Anwendungsorientierte Qualifikation => ggf. Chargenfreigabe Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 10

11 Bauelementeauswahl Interne Inspektion auf: Bondverbindungen Chipdesign Gehäuseaufbau Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 11

12 Bauelementauswahl Röntgenuntersuchung auf: Bonddrahtführung Bondverbindung/ Abhebungen Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 12

13 Wichtige Parameter Lichtstrom über Temperatur und Strom Farbe über Strom, Temperatur, Winkel Abstrahlcharakteristik Spannung über Temperatur und Strom Temperatur Junktion, Operating und Umgebung Thermischer Widerstand Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 13

14 Optische Parameter LED LED Lampe C nach 10 min Einheit Bezeichnung Funktion L cd/m2, W m-2 sr--1 luminance / radiance Leuchtdichte / Strahldichte L = div / da1; L = de / dw A1: Strahlerflächenelement Q lm s, J luminous energy / radiant energy Lichtmenge / Strahlungsenergie Iv Cd luminous intensity Lichtstärke Ie W sr-1 radiant intensity Strahlstärke/Strahlungsintensität F Lm, W luminous / radiant flux Lichtstrom / Strahlungsleistung E lx, W m-2 Illuminance / irradiance Beleuchtungsstärke / Bestrahlungstärke Iv = df / dw Ie = Iv / K (l) F = dq / dt E = dh / dt; E = df / da2 Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 14

15 I [ma] I [na] U [V] I [na] Elektro-optische Charakterisierung Vorwärtskennlinie 3,6 3,5 3,4 3,3 3,2 3,1 neu #01 224li #01 224li #04 389li #03 389li # li # Ref ,9 2,8 2,7 2, li # li #05 221re #06 335li #02 335li # ,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1, I [ma] U [V] Rückwärtskennlinie 200 0,0-0,2-0, ,6-0,8-1,0-1,8-1,7-1,6-1,5-1,4 U [V] U [V] Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 15

16 spektrale Leistung [rel. Einheiten] Elektro-optische Charakterisierung Wellenlänge verschiedene Testmuster 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 # 1 # 2 # 6 ref # 7 # 8 0, Wellenlänge [nm] Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 16

17 LED Fehlermechanismen - äußere Einflüsse Unzureichende Wärmeabführung Bondkontakt unzureichend Verbindung Gehäuse Board (Lötstelle) Wärmeabführung Board - Umgebung Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 17

18 Wärmewiderstand Zusammensetzung des LED Wärmewiderstands (qualitativ) Übergänge sind zu beachten Umhüllung Halbleiter Die Bond Leiterplatte Kühlkörper Die Paddle Leads / Pins Lötstelle Leiterplatte Laminat Kühlkörper Umgebung Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 18

19 Messung von Junction-Temperatur und R TH Messprinzip Spannung an LED ist Funktion von Strom und Junction- Temperatur Tj Im Pulsbetrieb (< 10 ms) wird Erhöhung von Tj vermieden, sodass Tj der Umgebungstemperatur Tamb entspricht: Messung Upuls = f(i, Tj) Im DC-Betrieb wird Tamb so eingestellt, dass UDC (I) = Upuls (I, Tj) Damit sind Messungen bei bekannter Junction-Temperatur Tj möglich RTH ergibt sich aus der Temperaturdifferenz Tj Tamb automatisierte Messung LED-Halterung mit Temperaturkontrolle Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 19

20 Ie [a.u.] U Puls [V] DU/DT [V/ C] Messungen an High-Power-LEDs Pulse Current Measurements U (I,T) 4,5 4,3 4,1 3,9 3,7 3,5 3,3 3,1 2,9 2,7 2, I [ma] 25 C 50 C 85 C 25 C / 50 C 50 C / 85 C 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 Spectral Measurements Ie (350mA DC,T) 25 C / 32,2 C 50 C / 57,0 C 85 C / 91,8 C Wellenlänge [nm] Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 20

21 U Puls [V] Puls-Strom-Messungen U(I,Tj) Messungen über gesamten nominellen Bereich von Strom und Junction-Temperatur (Abbildung: 3 Umgebungstemperaturen, mA) Gradient: ca 3mV pro C (temperaturabhängig) 4,1 3,9 3,7 3,5 3,3 3,1 2,9 2,7 2,5 25 C 50 C 85 C I [ma] Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 21

22 Änderung Ie [%] DC Messungen Lichtstärke über Temperatur und Strom Änderung der Lichtstärke mit Junction-Temperatur (Abbildung: 3 Umgebungstemperaturen, 3 Ströme) Abnahme: ca 2% pro 10 C; Einfluß Strom gering mA 350mA 500mA Tj [ C] Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 22

23 Chromaticity Farb-Koordinaten (I,T) DC-Messungen bei 3 Umgebungstemperaturen 25 C, 50 C, 85 C (Tj abhängig von Strom: Bereich Tj in Abbildung angegeben) Variation Farbkoordinaten mit Temperatur: ca bei Inom 350mA 0,42 0,41 Chromaticity x 0,40 0,39 0,38 0,37 0,36 Chromaticity y C C C C C C I [ma] Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 23

24 Tj - Tamb [ C] Bestimmung des Wärmewiderstandes Erhöhung Tj gegenüber Umgebungstemperatur im DC-Betrieb ergibt Wärmewiderstand R TH der LED von ca 6 K/W I [ma] Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 24

25 Reflow Löten von High Power SMD LEDs Gutes Wärmemanagement = gute Wärmeableitung das benötigt angepasstes Reflowlötprofil Einige Hersteller empfehlen ein Qualifikationslötprofil als recommended soldering profile Folge: Das Bauteil wird unnötig gestresst -> Degradation Erhöhter Ausfall durch Verarbeitungsfehler, da die Peaktemperatur 10 C bis 15 C zu hoch liegt. Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 25

26 Reflow- Lötprofil Empfehlung Bleifrei Lötprofil (IEC ) Produktions- Lötprofil Min. 235 C Ziel: 245 C Max. 250 C Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 26

27 Reflow Löten von High Power SMD LEDs Gutes Beispiel einer Herstellerempfehlung Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 27

28 Reflow- Qualifikationslötprofil IEC/TR Peaktemperaturen sind abhängig von der Größe und Dicke des Bauteils Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 28

29 Reflow Löten von High Power SMD LEDs Schlechtes Beispiel einer Herstellerempfehlung Als Peaktemperatur wird die Qualifikationstemperatur empfohlen (hier von 255 C bis 260 C) Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 29

30 Zuverlässigkeit Stunden kein Problem? Lebensdauerangaben in Datenblättern Was ist das Ausfallkriterium? 90%, 80%, 70% oder 50% Wie lang wurden die LED getestet? Bei welcher Temperatur? Wie kann man die bestimmen? Thermalmanagement: Hitze bringt die beste LED um Einflüße durch die Stromversorgung Vorher abprüfen Spezifizieren Einfluß der Feuchte Einfluß von mechanischem Streß Umgebungsatmosphäre Angaben überprüfen zumindest Stichprobe durchführen! Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 30

31 Zuverlässigkeit Stunden - was ist zu tun? Strombelastung minimieren Lieber mehr Dioden mit geringerem Betriebsstrom verwenden Lifetest durchführen > 1.000h besser >5.000h Wärmeabführung optimieren Wissen, was wie beeinflußt Nachmessen Getestete Stromversorgungen wählen Die LED nach den Umgebungsbedingungen auswählen und testen Aggressive Gase Luftfeuchtigkeit Vibrationen/Schock Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 31

32 LED - Fehlermechanismen Unterscheidung zwischen verschiedenen Ebenen LED-Chip LED-Aufbau - intern LED-Aufbau - extern Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 32

33 Leckstrom [na] 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) 1000,00 100,00 10,00 Ausfälle 1,00 0,10 0,01 Referenz-LED Sperrspannung [V] Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 33

34 Sperrleckstrom als Früherkennung für verkürzte LED-Lebensdauer Degradationsverhalten blauer LEDs im Dauertest in Abhängigkeit vom Sperrvermögen: LEDs mit schlechten Sperreigenschaften degradieren deutlich schneller als solche mit gutem Sperrverhalten Mit freundlicher Genehmigung von P.Jacob EMPA Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 34

35 LED Ausfallursachen LED-Vergußmasse Degradation durch UV-Anteil im Sonnenlicht Mikroskopische Risse in Verguß (z.b. mechanische Belastung auf Pins von 2-Pin-LEDs) u. Eindringen von Fremdstoffen Phosphor (weiße LEDs) Degradation durch LED-Licht (Gelbfärbung) Alterung im allgemeinen stärker als Chip Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 35

36 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) Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 36

37 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 Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 37

38 LED Fehlermechanismen - LED-Chip Eindringen von Feuchtigkeit oder schädigenden Fremdstoffen Veränderungen im Kristallaufbau oder an Grenzflächen Korrosion an Oberflächen Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 38

39 Abhilfemassnahmen - Qualifikation LED Chip bezogen Elektrischer Dauerbetrieb statisch Test Dauer > h verschiedenetemperaturen und Ströme Intermittent Operational Lifetest Tests sollten aber immer unter Applikations Bedingungen laufen LED Gehäuse bezogen Lötbarkeitstest mit Applikationsprofil Feuchte Test mit / ohne Belastung Temperaturwechsel Test mit / ohne Betrieb Mechanische Test Immer die Gesamteinheit im Auge behalten Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 39

40 Change of brightness [%] Qualifikation LED LED Degradation 105 lifetest --> behaviour of brightness Iv (in percent) (300mA, tp = 8,6µs, T = 230µs) LED 01 LED 02 LED 03 LED 04 LED 05 LED 06 LED 07 LED 08 LED 09 LED 10 LED 11 LED 12 LED 13 LED 14 LED 15 LED 16 LED 17 LED 18 LED 19 LED time [h] Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 40

41 opt. Ausgangsleistung opt. Ausgansleistung Ergebnisse Lebensdauertests an Einzel-LEDs 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 Änderung Lichtstärke ( T amb = 36 C, 805nm) Stunden [h] Die LED altern auch noch nach 1.000h! Frühabweichung Burn in Änderung Lichtstärke ( T amb = 56 C, 805nm) 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0, Stunden [h] Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 41

42 Abhilfemassnahmen - Selektion: Feuchte unter Betrieb Sampletest aus Reelfreigabe Gutes Reel Zurückgewiesenes Reel Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 42

43 Risiken im Beleuchtungskörper Vergießen, Schutzlack Mechanische, thermische Belastung Reaktion mit ausgasenden Stoffen Inhomogener thermischer Kontakt Thermische Belastung (thermal runaway - Inhomogenitäten verstärken sich mit der Zeit, u. führen zu plötzlichem Ausfall) Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 43

44 Thermische Überlastung LEDs in Lampe Beschleunigte Alterung aufgrund schlechter Wärmeabfuhr Abnahme der Leistung auf < 20% innerhalb von 2 Monaten im Betrieb. Trägerplatte mit mäßiger Wärmeleitung Degradierte Lampen im Vergleich zu Neuzustand Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 44

45 LED Lampe - Wärme Verteilung über der Zeit Nach 120 min Betrieb Tc = 40 C Tc = 41 C Tc = 42 C Nach 180 min Betrieb Tc = 44 C Neben den LEDs sind auch die Widerstände Hotspots Tc = 46 C Tc = 45 C Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 45

46 Wärmeverhalten von LED Lampen LED Lampe C nach 10 min Tc = 100 C Lampen mit unterschiedlicher Wärmeableitung LED Lampe D,B,A nach 22 min Tc = 42 C Tc = 55 C LED Lampe I, II nach 40 min Tc = 44 C Tc = 50 C Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 46

47 Thermische Überlastung von LED in Lampe reduziert die Lebensdauer Lösung: Metallkern statt Kunststoff Trägerplatte und Rahmen aus Kunststoff mit mäßiger Wärmeleitung Rahmen und Kern auf Aluminiumprofil mit besserer Wärmeleitung Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 47

48 Kumulative Ausfälle (%) D Popt [%] Lebensdauertests von LED-Lampen t [h] A1 B1 D ReliaSoft's Weibull Lifetest of 25 C - Vendor Weibull Verteilung 40 C, 1000h under operation mean lifetime: 40 C Weibull Data 1 W2 RRX - SRM MED F=8 / S=0 CB[FM]@90.00% 2-Sided-B [T1] expected mean 25 C: 18000h (conservative) to 30000h Zeit (h) Donalt Bach microtec GmbH 7/3/ :35 Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 48

49 Zusammenfassung Eine zuverlässige LED Beleuchtung ist abhängig von : Sorgfältiger Analyse der Schwachstellen der LED der Verarbeitungsbedingungen der Applikation der Wärmeabführung der intelligenten Auswahl LED nach den Applikationsbedingungen den richtigen Verbindungstechnologien einer guten Wärmeabführung einer Verifikation auf Einhaltung der Parameter Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 49

50 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit R. Pusch Workshop LED Beleuchtung Reinhard Pusch certified by RoodMicrotec 50