Der thermische Widerstand "Junction to Case" ist ein wichtiger Parameter für die Zuverlässigkeit der elektronischen Bauteile wie Leuchtdioden (LEDs) und Leistungsmodule. Denn die Degradation dieser Bauelemente ist temperaturabhängig. LED-Systeme lassen sich heute nicht nur in High-Power-, Mid-Power- und Low-Power-Anwendungen unterscheiden, sondern auch hinsichtlich der Zuverlässigkeit, d. h. hohe und niedrige Zuverlässigkeit. Auf der einen Seite stehen preiswerte LED-Konsumgüter und leider zum Teil auch LED-Ersatzlampen auf der Low-Zuverlässigkeitsseite der Beleuchtungsanwendungen. Auf der anderen Seite bestimmen Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer den ökonomischen und ökologischen Erfolg von High-End-LED-Beleuchtungssystemen, z. B. in der Außenbeleuchtung, der Signaltechnik, in LED-Systemen für die Landwirtschaft und in der Automobilbeleuchtung. LED-Beleuchtungssysteme können im Allgemeinen eine sehr lange Lebensdauer von bis zu 100.000 h erreichen, wenn sie entsprechend ausgelegt sind und Geschäftsmodelle auf dem störungsfreien Betrieb der Lichtquellen basieren. Die Sperrschichttemperatur und der Ansteuerstrom sind die Schlüsselparameter, die den Lumenabbau bestimmen. Neben dem langsamen Lumenabbau können auch katastrophale Ausfälle der LED auftreten. Um diese Ausfälle zu eliminieren, sind nicht nur das Die- und Gehäusedesign, sondern auch die Prozess- und Materialkontrolle bei der Herstellung wichtig. Schließlich sind auch die Umgebungsbedingungen während des Betriebs wie Feuchtigkeit, korrosive Atmosphäre und thermomechanische Belastung grundlegend für die Lebensdauer der LED-Systeme.

 

Da viele Ausfälle durch die Sperrschichttemperatur TJ einer LED hervorgerufen werden, ist das Wärmemanagement für die Realisierung kostengünstiger, aber zuverlässiger LED-Systeme unerlässlich. Die transiente thermische Analyse (TTA) ist ein leistungsfähiger 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 Transientenprüfgerät 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 während der Zuverlässigkeitsbewertung und für die Produktionsinspektion zu erleichtern. Das LED-Panel wird auf dem temperaturstabilisierten Tisch eines xyz-Systems platziert.

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 parasitärer Induktivität zu ermöglichen. Die LEDs werden mit 4-Punkt-Sonden kontaktiert. Um den thermischen Widerstand zwischen dem LED-Die (First-Level-Interconnect) und dem Substrat aufzulösen, muss die Vorwärtsspannung der LEDs nach der Stromschaltung so früh wie möglich gemessen werden, d.h. weit unter 10μs. Die entwickelte Stromquelle ermöglicht 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 Zuverlässigkeitstests eingesetzt werden. Der Ort von Ausfällen kann identifiziert werden. Zum Beispiel ist es möglich, zwischen Fehlern wie Delaminierung des LED-Chips oder Rissen der Lötverbindung vom LED-Gehäuse zur Leiterplatte (PCB) zu unterscheiden.

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 Kühlkörper montiert, dessen Temperatur zwischen niedriger (Tmin = -20°C), mittlerer (TRT = +25°C) und hoher (Tmax = 125°C) Temperatur getaktet wird. Die LEDs können während 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 zusätzlichen Treiber und Schalter können 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 heißen und kalten Bedingungen können zusätzliche Informationen gewonnen werden. Ziel ist es, Ausfälle durch Messungen bei Raumtemperatur, Tmax und Tmin früher zu erkennen.

 

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Prof. Dr. Gordon Elger
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