LED s im Einsatz: Fehler erkennen - Fehler vermeiden testlab for opto + microelectronics Reinhard Pusch 03.06.2008 Überblick allgemein LED s im Einsatz Auswahl - Charakterisierung Fehler erkennen Fehler vermeiden Zusammenfassung / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 2 - Holger Pross 1
focussed on quality Ihr Partner für Opto- und Mikroelektronik 1. Unabhängiges und neutrales Testlabor 2. Modernes Analyse- und Testequipment 3. Testdienstleistungen aus einer Hand Test von elektronischen und optoelektronischen n nach einschlägigen Standards Telcordia, MIL, JEDEC, ESA, DIN, IEC AEC-Q 100/200 Fehleranalyse Beratung Logistik / Supply Chain Services vom Chip bis zur Baugruppe / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 3 Überblick allgemein LED s im Einsatz Auswahl - Charakterisierung Fehler erkennen Fehler vermeiden Zusammenfassung / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 4 - Holger Pross 2
Einsatz von LED s In verschiedenen Funktionen: Lichtschranken Anzeigen Hintergrundbeleuchtung Leuchten/Strahler Signale / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 5 Einsatz von LED s In Zuverlässigkeits/Qualitäts-relevanten Märkten Luft- und Raumfahrt Verkehrssignale ( Bahn - / Ampelsignale ) Medizintechnik ( Beleuchtungen ) Automotive Innenraum ( Reduzierung von subjektiven Helligkeitsunterschieden ) Heck- und Frontlichter Raumbeleuchtung/Backlight Sicherheitstechnik ( Lichtschranken ) Anzeigen in Geräten ( Industrie/Konsumer ) Outdooranzeigen (Displays/Werbeanzeigen ) / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 6 - Holger Pross 3
Bauformen von LED s Für verschiedene Randbedingungen: Platzverhältnisse Elektrische Leistungsaufnahme Lichtstärke Abstrahlverhalten / Linsen Umweltbedingungen Farbkoordinaten / Wellenlänge / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 7 Anforderungen an LED s Elektrische Ansteuerung Puls- oder Gleichstrombetrieb Temperaturkompensation möglich Einzel LED oder Array Flächen- oder Punktstrahler Umweltbedingungen Temperatur, Feuchte Farbkoordinaten / Wellenlänge / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 8 - Holger Pross 4
Auswahlmöglichkeiten Elektrische / optische Parameter Lichtstärke, Lichtstrom (Emission des Lichtstromes, Strahlungsleistung) Abstrahlcharakteristik (Lichtstärke in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel) Vorwärtsspannung/Strom (über dem Strom und Temperatur) Farbort, Wellenlänge (eindeutige XY-Parameter der LED im CIE-Diagram) Alle Parameter sollten unter den realen Betriebsbedingungen, wie Temperatur und Ansteuerart bestimmt werden / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 9 Auswahlmöglichkeiten Beispiel : Temperaturkompensation Temperaturverhalten: LED grün / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 10 - Holger Pross 5
Überblick allgemein LED s im Einsatz Fehler erkennen Fehler vermeiden Zusammenfassung / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 11 Fehlerursachen LED Chip / ESD Schäden Aufbautechnik der LED Bondverbindungen/Führungen Gehäuse Entwärmung Verbindungstechnik LED - Leiterplatte Lötprozess Wärmeableitung LED im Array Umgebungsbedingungen Feuchte Temperatur / Temperaturwechsel Sonnenlicht / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 12 - Holger Pross 6
Fehleranalyse LED Visuelle Inspektion Mechanische Schäden, Korrosion, Verunreinigungen Messung elektrischer/ optischer Eigenschaften Abstrahlcharakteristik, Leuchtdichte, Farbort thermischer Widerstand Strom/Spannung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung Ultraschall- und Röntenmikoskopie Risse, Delamination lokalisieren Lötstellen und Bondverbindungen überprüfen Bauteil öffnen/ Chip freilegen Lichtoptische Mikroskopie REM/EDAX Rückpräparation auf Chipebene/Kristallstruktur) Definition von Abhilfemaßnahmen / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 13 Fehleranalyse LED - Beispiele Bondabheber Bonddrahtbruch Ablösung LED Chip - Substrat Gehäuseprobleme - Dichtheit Lötverbindung LED - Leiterplatte Chipdegradation Störung im Bereich der Phosphorschicht / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 14 - Holger Pross 7
Fehleranalyse LED - Beispiele Bonddrahtabheber Bondrahtbruch / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 15 Fehleranalyse LED - Beispiele Ablösung LED Chip - Substrat / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 16 - Holger Pross 8
Fehleranalyse LED - Beispiele Wassertropfen im Gehäuse / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 17 Fehleranalyse LED - Beispiele LED Array Degradation / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 18 - Holger Pross 9
Fehleranalyse LED - Beispiele Störung im Bereich der Phosphorschicht opt. Leistung um den Faktor 5 höher / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 19 Überblick allgemein LED s im Einsatz Fehler erkennen Fehler vermeiden Zusammenfassung / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 20 - Holger Pross 10
Fehler vermeiden - durch geeignete Auswahl Chip Technologie Gehäusetyp den richtigen Hersteller den richtigen Verbindungsprozess => ein klares Anforderungsprofil (Spezifikation) => Anwendungsorientierte => ggf. Chargenfreigabe / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 21 s - Standards Branchenspezifische Standards Anwendung in Telcordia GR 468-Core Telecommunication AEC-Q 101 Automotive ESCC 9020 Luft - und Raumfahrt MIL STD 883 oder spezielle Kundenanforderungen / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 22 - Holger Pross 11
Fehler vermeiden - Elektrischer Dauerbetrieb bei Einsatzbedingungen Temperatur-Einfluß Strom-Einfluß Chipalterung Gehäuseeinfluß Feuchtetest vorzugsweise unter Betrieb Schutz des Gehäuses gegen Feuchte Wiederstandsfähigkeit des Halbleiters gegen Feuchte Temperaturwechsel Stabilität des Gehäuses Stabilität der Bondverbindungen / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 23 Lebensdauertest von LED Faktoren, die die Alterung bestimmen Junction-Temperatur Abnahme der Lichtstärke 1% pro C (weiß) Umgebungstemperatur Bestromung Entwärmung Strom Trübung der Vergussmassen UV-Bestrahlung Alterung des Fluoreszenzfarbstoffes bei Lumineszenskonversions-LEDs Lagertemperatur / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 24 - Holger Pross 12
- Holger Pross 11.06.2008 13 Anforderungen an die Prüfeinrichtung Unterschiedliche Betriebsbedingungen Pulsbetrieb Gleichstrombetrieb Reproduzierbare Messungen Lichtstrom Lichtstärke Farbkoordinaten U F / I F Konstante klimatische Bedingungen für die Prüflinge definierte Temperatur konstante Wärmeableitung Stabile Kopplung LED - Meßempfänger / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 25 Lebensdauertest von LED Reproduzierbare Messbedingungen sind Basis für statistische Auswertungen / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 26
von LED LED Degradation Lebensdauertest --> Verlauf Lichtstärke Iv (prozentual) (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 20 Lichtstärkeänderung [%] 105 100 95 90 85 80 75 70 0 96 168 500 1000 Zeit [h] / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 27 Fehler vermeiden - Beispiele 5mm LED weiß mit 2,5 fachem Nennstrom / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 28 - Holger Pross 14
- Holger Pross 11.06.2008 15 Fehler vermeiden Beispiele: Degradation Temperaturschock -40 C/+85 C n= 1000 Zyklen Verlauf Lichtstärke Iv (Prozentual) Temperaturschockprüfung YELLOW (5mm, 3-polig) 080108*31 080108*32 080108*33 080108*34 080108*35 080108*36 080108*37 080108*38 080108*39 080108*40 080108*41 080108*42 080108*43 080108*44 080108*45 Lichtstärkeänderung [%] 125 120 115 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 Verlauf Lichtstärke Iv (Prozentual) Temperaturschockprüfung GREEN (5mm, 2-polig) 080108*31 080108*33 080108*34 080108*35 080108*36 080108*37 080108*38 080108*40 080108*41 Anzahl der Zyklen 080108*42 080108*43 080108*44 080108*45 110 100 90 80 Lichtstärkeänderung [%] LED hyper red LED grün 70 60 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 Anzahl der Zyklen / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 29 Fehler vermeiden - Chargenfreigabe Elektrischer Bertrieb 168h in Feuchte / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 30
Zusammenfassung Immer mehr LED gehen in kritische Applikationen Lebensdauer/Risiko-Abschätzug wird immer wichtiger Es treten immer mehr Ausfälle auf => eine saubere Analyse der Fehler und ihrer Ursachen ist wichtig => eine gute Auswahl hilft Fehler zu vermeiden => Test unter realen Bedingungen ist besonders bei High Power LED notwendig / Reinhard Pusch - LED im Einsatz - SMT 2008 Juni 2008 31 - Holger Pross 16