Учет тепловых параметров светодиодов для создания надежных

Разработка и конструирование
Учет тепловых параметров
светодиодов для создания
надежных осветительных
систем
Андреас Попп (Andreas Poppe),
отдел механического анализа,
Mentor Graphics
альной зависимости от температуры.
Учет этого влияния на этапе разработки позволяет создать надежную
и долговечную продукцию.
Даже у качественно изготовленного устройства световой поток падает
с ростом температуры. В результате
расслоения области крепления светодиодного кристалла повышается тепловое сопротивление, что приводит
к росту температуры перехода. В свою
очередь, более высокая температура
перехода ускоряет дальнейшее расслоение.
Качественно изготовленный светодиод хорошо продуман во всех
деталях: тонкая структура активного слоя на уровне кристалла оптимизирована; световой поток в p-nпереходе генерируется с вы сокой
эффективностью; свет извлекается
с высокой эффективностью; устранены все несоответствия между
коэффициентами теплового рас-
Для создания более надежных изделий для твердотельного освещения необходимо точно определять
тепловые режимы эксплуатации
светодиодов.
К
Как известно, на деградацию
светового потока светодиодов влияет множество факторов, начиная
с проблем наномасштабного уровня
в активной области светодиодного
кристалла и заканчивая термомеханическим напряжением в кристалле
и на интерфейсах между разными материалами. Все эти нежелательные
явления, которые приводят к старению светодиодов, усугубляются в результате теплового воздействия. При
этом скорость ухудшения качества
кристаллов находится в экспоненци-
ширения; тепловое сопротивление
минимизировано; люминофор обладает высокой эффективностью преобразования, и этот показатель лишь
в минимальной степени зависит от
температуры; герметизирующие материалы обладают термостойкостью;
линзы не теряют прозрачности и, наконец, светодиоды не чувствительны
к коротковолновому излучению, теплу и к агрессивным химическим веществам, которые могут находиться
в окружающей среде светильника.
С точки зрения надежности, даже
простое с виду светодиодное устройство на поверку оказывается достаточно сложным компонентом. Многие
взаимосвязанные процессы оказывают
влияние на качество этой продукции.
Изменение теплового сопротивления
между переходом и окружающей средой является хорошим показателем
того, насколько ухудшилось или ухудшится качество светодиодов.
Процесс изменения
температуры перехода
Подводимая
мощность
∆P(t)
Упрощенная динамичная
модель теплового тракта
R1
∆T(t)
C1
0
Граничная линия
Структурная функция
DC: 0 рад/с
10 Крад/с
1 Крад/с
–0,2
0,01 рад/с
3
1
2
0,1
–0,6
0,01
1 рад/с
10 рад/с
Временная
зависимость Rth
1
0,001
–0,8
0
1
2
3
Действительная часть, K/Вт
4
0
1
2
Rth, K/Вт
3
4
1е–5 1е–4 0,001 0,01
0,1
1
Время, с
Рис. 1. Базовая концепция динамического тестирования светодиодов, позволяющая получить характеристику температуры перехода
при скачкообразном тепловом воздействии на испытуемые образцы
16
www.lightingmedia.ru
Rn
100
0,1 рад/с
–0,4
Cn
T3Ster Master: импульсная диаграмма Rth
10
100 рад/с
C2
Время
Время
Мнимая
часть, K/Вт
R2
10
100
Разработка и конструирование
Современные методы
испытаний и точные
результаты
Пр и и сп ытан иях надежнос ти
и долговечности светодиодов они
поначалу подвергаются воздействию стрессовых условий. Например,
в испытании на ускоренное старение (highly accelerated stress testing,
HAST) применяется термоциклирование, позволяющее ускорить процессы
старения, после чего с помощью аналитических методов определяется
возможность появления отказов.
Тестирование тепловых процессов в динамике с помощью структурных функций является неразрушающим аналитическим методом,
который применяется в полевых
условиях. Структурные функции –
карты с распределением тепловой
емкости и теплового сопротивления
«переход – окружающая среда» для
теплового тракта; форма структурной функции зависит от тепловых
характеристик и геометрических
размеров последовательно расположенных участков этого тракта [1–2]. В этом виде тестирования
воздействие нагрузки прекращается
в определенные моменты времени,
и измеряются динамические тепловые характеристики в процессе старения, после чего снова подается
нагрузка. Данный подход также рекомендуется при проведении тестов
на надежность и для определения
срока службы светодиодов в соответствии со стандартным протоколом старения LM-80 или другими
протоколами старения HAST-типа,
которые действуют в отношении
светодиодов. Эти измерения до
и после снятия нагрузки позволяют
выполнять тщательный анализ отказов, что повышает надежность
и качество конечной продукции.
рений характеризуют тепловой импеданс Zth(t) светодиода. В результате
последующей обработки измерений
тепловой импеданс преобразуется
в тот вид, который используется для
представления параметров тракта
светодиода «переход – окружающая
среда».
Например, комплексное предста влен ие н а илучшим образ о м
Рис. 2. Пример использования структурной функции: график показывает, как определяется тепловое
сопротивление RthJC светодиодного устройства с помощью динамического метода двойного
интерфейса согласно стандарту JESD 51-14
Динамическое тестирование
На рисунке 1 представлена базовая концепция динамического
тестирования светодиодов. Испытательное оборудование скачкообразно подает тепловую мощность на тестируемые образцы
мощных светодиодов, после чего
измеряет температуру светодиодного перехода. Нормированные
к тепловой мощности значения изме-
Рис. 3. При испытаниях светодиодов по методике LM-80 было установлено расслоение области
крепления корпуса к подложке через 500 ч (см. разницу между 0-ч и 500-ч графиками).
Заметное старение материала теплового интерфейса произошло между 500 и 2000 ч.
После 2000 ч испытаний не наблюдалось дальнейшего ухудшения качества теплового тракта
«переход – окружающая среда»
Современная светотехника, #2 2015
17
Разработка и конструирование
описывает тепловой импеданс светодиодов, управляемых переменным
током; тепловое сопротивление в зависимости от параметров воздействующих импульсов хорошо описывает
тепловые параметры светодиодов,
световой поток которых управляется
методом широтно-импульсной модуляции; структурные функции обеспечивают неразрушающие средства для
анализа отказов; упрощенная динамическая модель теплового тракта
представляет параметры светодиодной сборки при симуляции методом
вычислительной гидрогазодинамики
(computational fluid dynamics, CFD).
Последовательное приближение
структурной функции (см. рис. 2) –
естественное расширение метода
измерения R thJC в части обработки
данных, совместимого со стандартом
JESD 51-14. Это приближение реализуется с помощью программного обеспечения T3Ster Master от компании
Mentor Graphics, которое анализирует результаты измерений, полученных испытательным оборудованием
T3Ster. С помощью интерфейса этого
ПО на основе полученных результатов
создаются упрощенные динамические
модели, которые используются такими
средствами симуляции как FloTHERM
или FloEFD.
Методика LM-80 для
выявления отказов
Ученые из Университета г. Паннония (Венгрия) и Будапештского университета технологии и экономики
первыми стали измерять тепловое
сопротивление корпусов мощных
светодиодов при проведении испытаний на старение согласно методике
LM-80. Недавнее изучение тепловых
проблем, возникающих в областях
крепления кристаллов, выявило несоответствие требованиям около 13%
светодиодов, приобретенных в известных торговых сетях, что указывает на
необходимость тестирования этой
продукции уже на производстве. Исследование показало, что примерно
у того же процента светодиодов этого
типа, применяемых в автомобильных
фарах, имеются проблемы с креплением кристаллов к подложке.
Было установлено, что ухудшение
светового потока до уровня LM-80
в значительной мере коррелировало со
18
www.lightingmedia.ru
Рис. 4. Результаты измерений теплового сопротивления 15-ти случайно отобранных
товарных образцов корпусированных высокомощных светодиодов с белым свечением
для поверхностного монтажа: а) измеренный тепловой импеданс; б) соответствующие
структурные функции. Более высокое тепловое сопротивление у двух образцов светодиодов
показано жирными линиями
снижением качества теплового тракта
«переход – окружающая среда» испытуемых светодиодов [3] (см. рис. 3).
К наблюдавшимся изменениям относилось расслоение области крепления
корпуса к подложке (в рассматриваемом случае – к печатной плате на
металлической основе), а также ухудшение теплопроводности материала теплового интерфейса (thermal
interface material, TIM) в испытуемых
образцах. Удлинение плоских участков кривых структурных функций показало, что тепловое сопротивление
интерфейса увеличилось.
Графики на рисунке 4 показывают результаты испытаний 15-ти случайно выбранных образцов высококачественных мощных светодиодов,
изготовленных хорошо известным
производителем. На рисунке 4а видно,
что у двух образцов из 15-ти тепловой
импеданс оказался значительно больше уже спустя 10 мс после подачи
мощности. Этот временной интервал
является характерным для области
крепления кристалла. Вывод о том, что
повышение теплового сопротивления
этих двух образцов в установившемся режиме было вызвано увеличением
теплового сопротивления кристалла
в месте его крепления к подложке,
подтвердилось структурной функцией, показанной на рисунке 4б. Эти измерения указывают на необходимость
проводить испытания качества монтажа кристаллов на этапе производства.
Однако такое тестирование качества крепления кристалла вызывает
ряд вопросов. Во-первых, отсутствует возможность проведения всех измерений теплового сопротивления,
Разработка и конструирование
которые отвечали бы требованиям
к производительности производственных линий. Предыдущие исследования [4–5] показали, что реакция
на короткие импульсы (продолжительностью, как правило, 10 мс) уже содержит всю информацию о качестве
крепления кристаллов. Таким образом,
при тестировании вполне допускается использование тестовых импульсов продолжительностью 80–200 мс
в зависимости от тепловой постоянной времени испытуемого образца
светодиода. Такой временной диапазон соответствует пропускной способности производственных линий.
Кроме того, следует заметить, что
при испытаниях в линии отсутствует
возможность определить температурную зависимость прямого напряжения светодиодов, как это требуется в соответствии со стандартным
лабораторным испытанием тепловых
характеристик. Эта задача решается путем установления соответствия
между измеряемыми величинами
ΔV F (t) и действительными значениями Z th (t) на начальном участке кривых (в диапазоне 1–10 мс),
где генерируемый в виде импульсов
поток тепла распространяется только в светодиодном кристалле и на
его прохождение не влияет качество
крепления этого кристалла. Более
подробную информацию о данном
методе см. в [6]. При тестировании
этим способом необходимо точное
измерение на начальном участке
кривой напряжения.
Выводы
Динамическое тестирование теплового сопротивления с помощью
структурных функций позволяет отличить повышение теплового сопротивления, вызванное некачественным
креплением кристалла к подложке, от
повышения этой величины, связанного
с дефектами пайки к подложке светодиодного модуля.
Динамическое измерение теплового сопротивления не только необходимо в лабораторных и производственных испытаниях светодиодов и
модулей, но и при их моделировании.
В комбинации с радиометрическими
и фотометрическими измерениями
можно создавать т.н. компактные
светодиодные модули с многодоменной структурой. Использование
таких моделей на этапе разработки
светодиодных модулей и светильников позволяет правильно выполнить
тепловой расчет и оценить оптические
параметры конечного изделия для
твердотельного освещения.
Литература
1. V. Székely and T.V. Bien. Fine structure of
heat flow path in semiconductor devices: a
measurement and identification method. SolidState Electronics 31(9):1363-1368. 1988.
2. G. Farkas and A. Poppe. Thermal testing
of LEDs. Thermal Management for LED
Applications. Springer. 2013. Solid State Lighting
Technology and Application Series. ISBN: 9781-4614-5090-0. DOI 10.1007/978-1-46145091-7.
3. A. Poppe, G. Molnár, P. Csuti, F. Szabó, and
J. Schanda. Ageing of LEDs. A Comprehensive
Study Based on the LM80 Standard and
Thermal Transient Measurements. CIE 27th
Session Proceedings. CIE 197:2011. Vol. 1.
10–15 July. 2011. Sun City.
4. P. Szabó, A. Poppe, and M. Rencz. Studies
on the possibilities of in-line die attach
characterization of semiconductor devices.
Proceedings of the 9th Electronics Packaging
Technology Conference. 10–12 December 2007.
5. P. Szabó, M. Rencz, G. Farkas, and A. Poppe.
Short time die attach characterization of LEDs for
in-line testing application. Proceedings of the 8th
Electronics Packaging Technology Conference. Vol.
1. Singapore. 6–8 December. 2008.
6. T. Dannerbauer and T. Zahner. Inline Rth
Control: Fast Thermal Transient Evaluation
for High Power LEDs. Proceedings of the
19th International Workshop on Thermal
Investigation of ICs and Systems. 25–27
September. 2013.
Современная светотехника, #2 2015
19