SMT 2010 Forum Optics meets Electronics Die LED sie altert doch 09.06.2010 R.Pusch Zwolle Dresden Noerdlingen Stuttgart certified by RoodMicrotec.
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Target Markets Industrial Automotive Aerospace General Lighting Communications Medical Photos: Fotolia.com RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 3
Einstieg LED = lange Lebensdauer = 50.000 h Was heißt das? 50.000 h => ca. 6 Jahre bei Dauerbetrieb 50.000 h => ca. 35 Jahre bei 4 Std pro Tag Was ist da dran? Was heißt das für die Applikation? Photos: Fotolia.com RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 4
Leuchtstreifen nach 2 Monaten Betrieb 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 RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 5
Einflussgrößen der Zuverlässigkeit LED Chip stark Temperaturabhänging stromabhängig Alterung des LED Chips muss > 50.000 h sein Gehäuse Temperaturabführug muss sehr gut sein Schutz vor Feuchtigkeit und agressiver Atmosphäre Widerstandfähig gegen Sonnenlicht und Hitze Board/Lampe Sehr gute Wärmeabführung Schutz gegen Umgebungseinflüße RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 6
Zusammenfassung Der LED Chip altert abhängig von Temperatur, Strom, Technologie Chip Die LED Gehäuse/Aufbautechnologie kann die Lebensdauer drastisch verkürzen Verpackung Der Board/Lampen Aufbau kann die Lebensdauer weiter verkürzen Gerät RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 7
Gehäuse Probleme Verbindungstechnik Broken bond wire Lift-off of ball bond crack RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 8
Gehäuse Probleme Eindringen von Feuchtigkeit oder schädigenden Gasen Veränderungen im Kristallaufbau oder an Grenzflächen Korrosion an Oberflächen RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 9
U Puls [V] Chromaticity Änderung Ie [%] Temperaturverhalten der LED Lichtstärke 0-2 200mA -4 350mA -6 500mA -8-10 -12-14 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tj [ C] 0,42 0,41 Chromaticity x Farbkoordinaten Vorwärtsspannung 0,40 25.. 49 C 0,39 50.. 71 C 0,38 85.. 103 C 25.. 49 C 0,37 50.. 71 C Chromaticity y 85.. 103 C 0,36 0 200 400 600 800 1000 I [ma] 4,1 3,9 3,7 3,5 3,3 25 C 3,1 2,9 50 C 2,7 85 C 2,5 0 200 400 600 800 1000 I [ma] Lebensdauer RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 10
Bestimmung der Junction Temperatur 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 RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 11
U Puls [V] Puls-Strom-Messungen U(I,Tj) Messungen über gesamten nominellen Bereich von Strom und Junction-Temperatur (Abbildung: 3 Umgebungstemperaturen, 0.. 1000mA) 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 0 200 400 600 800 1000 I [ma] RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 12
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 0-2 -4-6 -8-10 -12 200mA 350mA 500mA -14 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tj [ C] RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 13
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 0.006 bei Inom 350mA 0,42 0,41 0,40 0,39 0,38 0,37 0,36 Chromaticity x Chromaticity y 25.. 49 C 50.. 71 C 85.. 103 C 25.. 49 C 50.. 71 C 85.. 103 C 0 200 400 600 800 1000 I [ma] RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 14
Tj - Tamb [ C] Bestimmung des Wärmewiderstandes Erhöhung Tj gegenüber Umgebungstemperatur im DC-Betrieb ergibt Wärmewiderstand R TH der LED von ca 6 K/W 30 25 20 15 10 5 0 0 200 400 600 800 1000 I [ma] RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 15
Change of brightness [%] Beispiel LED Alterung Die LED altern auch noch nach 1.000h! 105 100 95 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 20 90 85 80 75 70 0 96 168 500 1000 time [h] RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 16
opt. Ausgangsleistung opt. Ausgansleistung Beispiele LED Alterung 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 Änderung Lichtstärke ( T amb = 36 C, 805nm) 0 200 400 600 800 1000 Frühabweichung Burn in Stunden [h] Änderung Lichtstärke ( T amb = 56 C, 805nm) 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0 200 400 600 800 1000 Stunden [h] RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 17
LED Fehlermechanismen - äußere Einflüsse Unzureichende Wärmeabführung Bondkontakt unzureichend Verbindung Gehäuse Board (Lötstelle) Wärmeabführung Board - Umgebung RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 18
Beispiele Feuchteeinfluß Sampletest aus Reelfreigabe Gutes Reel Zurückgewiesenes Reel RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 19
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) RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 20
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 RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 21
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 RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 22
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 RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 23
Kumulative Ausfälle (%) 6.0 3.0 2.0 1.6 1.4 1.2 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 D Popt [%] Lebensdauertests von LED-Lampen 15 10 1 2 5 3 0-5 -10-15 -20-25 0 200 400 600 800 1000 4 5 6 7 8 A1 B1 D ReliaSoft's Weibull++ 6.0 - www.weibull.com Lifetest of LEDs @ 25 C - Vendor t [h] Weibull Verteilung 40 C, 1000h under operation mean lifetime: 9500h @ 40 C 99.00 90.00 50.00 Weibull Data 1 W2 RRX - SRM MED F=8 / S=0 CB[FM]@90.00% 2-Sided-B [T1] expected mean lifetime @ 25 C: 18000h (conservative) to 30000h 10.00 5.00 1.00 1000.00 10000.00 100000.00 Zeit (h) Donalt Bach microtec GmbH 7/3/2009 14:35 RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 24
Abhilfemassnahmen - Qualifikation LED Chip bezogen Elektrischer Dauerbetrieb statisch Test Dauer > 1.000 10.000h 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 RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 25
Die LED altert aber das Risiko ist begrenzbar LED Chip bezogen Elektrischer Dauerbetrieb statisch Test Dauer > 1.000 10.000h 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 RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 26
Zusammenfassung > 50.000 Betriebsdauer unter Bedingungen: Sorgfältiger Analyse der Schwachstellen der LED der Verarbeitungsbedingungen der Applikation der Wärmeabführung intelligente Auswahl LED nach den Applikationsbedingungen den richtigen Verbindungstechnologien einer guten Wärmeabführung einer Verifikation auf Einhaltung der Parameter RoodMicrotec - Press Conference SMT 2010-2010-06-09 - www.roodmicrotec.com - certified by RoodMicrotec 27
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