Wo viel Licht ist, ist auch Schatten


Titelthema a:lot 09 - Winter 2013

LEDs gelten als das Leuchtmittel der Zukunft. Sie sind zwar in der Anschaffung teuer, doch versprechen die Hersteller eine rasche Amortisation durch sehr niedrige Betriebskosten und eine enorm lange Lebensdauer ihrer Produkte. Das trifft jedoch nur unter idealen Bedingungen zu – die in der Praxis beinahe nie vorherrschen.

LEDs kommen immer häufiger als Leuchtmittel in den verschiedensten Leuchtenapplikationen zum Einsatz: innerhalb und außerhalb von Gebäuden, in Anzeigen und Displays, in Front- und Heckleuchten von Autos, aber auch in vielen Spezialanwendungen. Aufgrund ihrer geringen Verbrauchskosten und der vermeintlich langen Lebensdauer wird die LED ihren Siegeszug vermutlich fortsetzen und die meisten anderen Leuchtmittel verdrängen. Doch ganz so makellos, wie es auf den ersten Blick scheint, ist die LED nicht. Da es sich um ein komplexes System handelt, gibt es viele Fehlerquellen, die sich negativ auf Leistung und Lebensdauer auswirken können. Die Fehlersuche kann deshalb umfangreich werden.
Grundbaustein einer LED-Leuchte ist natürlich der LED-Chip als Strahlungsquelle. Hinzu kommen die Optik für die Abstrahlcharakteristik und die Elektronikkomponenten zur Ansteuerung. Diese wiederum bedürfen einer Verbindung zum PCB-Gehäuse. In den meisten Fällen kommt noch eine Leuchte hinzu, die für einen bestimmten Einsatzzweck gestaltet wurde und gleichzeitig die Wärmeabfuhr gewährleisten soll. Die Zuverlässigkeit einer LED-Leuchte hängt also nicht nur von den sichtbaren Komponenten ab, sondern von der Kombination aller verwendeter Materialien, ihrer Qualität und Verarbeitung sowie ihres Designs. Sowohl im Fertigungsprozess als auch in der Anwendung beeinflussen also zahlreiche Parameter das gesamte System.

Für die Qualifizierung und den Betrieb hochwertiger LEDs gilt Folgendes zu beachten:

1. Fertigungsprozess der LED
- Technologie, Epitaxi und Materialen der LED
- Trennprozess des LED-Wafers, Aufbau- und Verbindungstechnik der LED
- Gehäuseauswahl und Vergießtechnik

2. Verarbeitung der LEDs auf Leiterplatten
- Vermeidung von ESD-Quellen
- mechanisch angepasstes Handling - Lötprofil, das auf die speziellen Bedürfnisse der LED abgestimmt ist

3. Betrieb der LED
- Stromversorgung mit ausreichendem Schutz gegen Spitzen und Überlast
- ausreichende Wärmeabfuhr
- Einhaltung der Sperrschichttemperatur
- Auswahl der „richtigen“ LED für die entsprechende Anwendung, Umgebungs- und Betriebsbedingung
- Applikations-„Mismatch“: Fehler vermeiden durch applikationsbezogene Qualifikation und Belastungstests

4. Qualifikation der LED
- elektrisch-optische und thermische Charakterisierung über den gesamten Temperaturbereich
- Lebensdauertest
- UV-Bestrahlung bzw. Salznebeltest
- Wärmeableitung

Gründliche Fehleranalyse

Falls es dennoch einer Fehleranalyse bedarf, sollte diese grundsätzlich mit der systematischen Aufnahme der Fakten beginnen. Dazu wird zunächst das Fehlerbild beschrieben. Danach sollten sämtliche Informationen über die Applikation, die Umgebungsbedingungen und die Ansteuerung gesammelt werden. Auch das Datenblatt der LED und der Schaltplan sollten in Augenschein genommen und einbezogen werden. Zu guter Letzt steht eine gründliche visuelle Inspektion auf dem Programm. Anschließend erfolgt eine Lokalisierung des Ausfallmechanismus und die Separation der Baugruppe. Dies kann mit Hilfe verschiedener Methoden erfolgen, zum Beispiel mit einer lichtoptischen Inspektion, Röntgen, Messung der LED-Kennlinie oder der Messung der optischen Parameter.
Abhängig von der elektrisch-optischen Untersuchung und der Separation ist der Analyseablauf zu definieren. Wichtig dabei ist, so viel wie möglich durch nicht zerstörende Analysen durchzuführen, bevor die zerstörenden Prüfungen durchgeführt werden. Jede Untersuchung führt zu neuen Erkenntnissen, die den Ablauf beeinflussen können. In Abhängigkeit vom Informationsumfang kann nur eine Abschätzung durchgeführt werden, die gegebenenfalls angepasst werden muss. Im Wesentlichen können zwei Fehlerquellen unterschieden werden. Liegt eine fehlerhafte Ansteuerung vor, ist zu klären, ob „Spikes“ übertragen werden können und wie der ESD-Schutz umgesetzt wurde.

So geht man bei einer fehlerhaften LED vor

Wesentlich komplexer wird es, wenn eine fehlerhafte LED diagnostiziert wird. Bei ihr handelt es sich um die Schlüsselkomponente, die durch verschiedene Umgebungs- und Betriebsbedingungen gestresst wird. Dies hat direkten Einfluss auf die Zuverlässigkeit der LED-Leuchte und deren Ausfallmechanismen. Zusätzlich wirken manche Ausgasungen der Vergussmassen und Gase der Umgebung schädlich auf die LED und die elektronischen Komponenten ein. Zu den sonst üblichen Fehlermechanismen von Halbleiterkomponenten kommen noch die Fehler der Lichtemission und der Alterung der Vergussmaterialien hinzu. Ein besonderer Aspekt ist auch die Wärmeableitung, vor allem bei Leistungs-LEDs.
Die elektrische, optische und thermische Charakterisierung ist nach einer visuellen Inspektion der nächste Schritt und zeigt, in wieweit die LED noch mit den Datenblattwerten übereinstimmt. Veränderungen in den Werten wie Lichtstärke, Farbkoordinaten, Abstrahlcharakteristik und Kennlinien weisen auf verschiedene Fehlermodi hin. Insbesondere die elektrische Kennlinie der LED, wie Vorwärts- oder Rückwärtskennlinie mit hoher Auflösung, kann ein Indikator für verschiedene Schädigungen im Halbleiter sein, selbst wenn die Kennwerte an sich noch im Datenblattbereich liegen. Die IR-Grenze liegt bei vielen LEDs bei ~1 µA.
Es ist empfehlenswert, die LED über den gesamten Betriebstemperaturbereich zu vermessen, um auch Anomalitäten über die Temperatur zu erkennen. Wichtig sind die Veränderungen im Wärmewiderstand der Parameter im Vergleich zum Datenblatt. Im Bedarfsfall bieten sich auch Messungen auf der Baugruppe an. Nicht zerstörende Prüfungen wie Röntgen, Ultraschall oder Lichtmikroskopie schließen sich an, um den Fehler zu detektieren. Ein Zusammenspiel der Ergebnisse der unterschiedlichen Methoden weist oft auch auf die Lage der Zerstörung hin.
Hat man alle nicht zerstörenden Möglichkeiten ausgeführt, kann man zu den zerstörenden Prüfungen wie Öffnen des Gehäuses, Abtragen der Vergussmasse und metallografische Schliffe übergehen. Aber Vorsicht, danach sind andere Prüfungen meist nicht mehr durchführbar. Zur Analyse des Halbleiters bieten sich noch folgende physikalische Analysemethoden an:
- Fokus-Ion-Beam (FIB) und Rasterelektronenmikroskopie für hohe Auflösungen
- OBIRCH und Emissionsmikroskopie (Kristallfehler sendet optisches oder infrarotes Signal, das mit Spezialkameras aufgenommen und dem Kristalllayout überlagert wird – Fehlerstellenortung)
- EBIC
- Kathodolumineszenz


Unser Autor: Günther Lippold ist Leiter Opto- und mechanische Qualifikation (Vibration und Schock) bei RoodMicrotec. Das Unternehmen ist ein unabhängiges und zertifiziertes Testhaus und Prüflabor für die Opto- und Mikroelektronik. Der Service von RoodMicrotec umfasst Engineering, Test und Programmierung, Supply Chain Service sowie Qualifikation und Fehleranalyse für Wafer und gehäuste ICs, Baugruppen und Leiterplatten sowie Aufbau- und Verbindungstechnik wie Löt-, Kleb- und Crimp-Verbindungen.
Kontakt: RoodMicrotec GmbH, Motorstraße 49, 70499 Stuttgart, Tel.: 0711.86709-0, Internet: www.roodmicrotec.com/de, E-Mail: info@roodmicrotec.com


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