In-situ Charakterisierung von LED Modulen mittels Computertomographie

LED’s sind aufgrund ihrer hohen Effizienz ein sehr stark wachsender Markt. Oft sind die Module aus mehreren Chips aufgebaut, die mit feinen Drähten kontaktiert und zum Schutz und zur Einstellung der Farbe mit einem Verguss übergossen sind. Die Drähte in diesem Aufbau sind allerdings Schwachstellen und Drahtbruch ist der Hauptgrund für ein Versagen des Modules.

Um die Belastungen auf den Draht zu minimieren, muss der präzise Belastungszustand bekannt sein. Am MCL werden präzise Auslenkungen der Drähte im Verguss bei der relevanten Temperatur mit hochauflösender Computertomographie untersucht. Dies ermöglicht das Erkennen von Positionen mit hoher Belastung und eine Quantifizierung der Dehnung.

Simulation der thermisch-mechanischen Eigenschaften von LED-Modulen

Gemeinsam mit Firmenpartnern werden die Belastungen in LED’s simuliert. Dafür werden am MCL parametrische FE-Modelle erstellt und Materialmodelle generiert. Diese Modelle ermöglichen eine Vorhersage der Belastungen in den Baugruppen als Funktion z.B. der Form der Drahtbonds. Durch die Kopplung mit der Computertomographie ist es möglich, diese Modelle sehr effektiv zu validieren.

Durch die validierte Simulation ist es möglich, bestehende Designs zuverlässig thermo-mechanisch weiterzuentwickeln und neue Designs schnell zu realisieren. 

Thermisches Management von High-Power-LED‘s

Ein Schlüsselaspekt in der Zuverlässigkeit von High-Power-Packages im Allgemeinen und Power LED’s im Speziellen liegt im thermischen Management. Dabei muss der Wärmetransport innerhalb der untersuchten Systeme präzise verstanden werden. Eine Möglichkeit, dies zu gestalten, ist die thermische Pfadanalyse mittels FE-Simulation. Diese Pfade werden durch die Umgebungsparameter mitbestimmt, was die Analyse komplex macht. Durch den gezielten Einsatz von Wärmesenken lässt sich das Problem allerdings vereinfachen. Die Simulation erlaubt die Festlegung von Wärmepfaden und ermöglicht damit den zielführenden Einsatz der Thermische-Impedanz-Analyse.
Die thermische Impedanz ermöglicht die Simulation und Charakterisierungen von unterschiedlichen Belastungen, die im Einsatz auftreten können. Gleichzeitig bekommt man über die Simulation Kenntnisse über die schwer zugänglichen Materialparameter Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität.
Möglich wird dies durch eine Beschreibung der Messergebnisse durch ein Netzwerk aus thermischen Widerständen und thermischen Kapazitäten. Durch inverse Modellierung können die einzelnen Parameter an die Messkurven angepasst und damit physikalisch richtig bestimmt werden.
Diese Modelle werden dann zur Weiterentwicklung bzw. Neuentwicklung von LED-Modulen eingesetzt.

Online Lebenszeit-Monitor für Power-LEDs (OPAL)

Die gesammelten Ergebnisse und validierten Netzwerke können auch zum Verfolgen der Langzeitstabilität der einzelnen Komponenten dienen. So kann bei jedem Ein-Aus-Zyklus eine thermische Impedanz-Kurve aufgenommen werden. Diese kann auf relativ kleinen Prozessoren nachgerechnet und mit Fehlerbilder korreliert werden. Dadurch wird eine Zustandsüberwachung des Systems möglich. Ebenfalls lässt sich damit durch gezielten Eingriff in den Betriebszustand die Lebenszeit verlängern.

Kontakt: Elke Kraker