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Thermisches Management beim LED-Design

Thermische Charakterisierung für optimale LED-Designs

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Anbieter zum Thema

Heitec AG
MES Electronic Connect GmbH & Co. KG
RECOM Power GmbH
Siemens EDA

Der Junction-to-Case-Wärmewiderstand

Bild 3: Die Strukturfunktion der Power-LED
Bild 3: Die Strukturfunktion der Power-LED
(Mentor Graphics)
Die kumulierte Strukturfunktion eines solchen Systems wird in Bild 3 gezeigt. Es ist die Darstellung der Wärmekapazitäten und Wärmewiderstande, die gleichmäßig entlang des Junction-to-Case-Wärmeflusspfades verteilt sind. Jedes Feature in der roten Linie entspricht einem physikalischen Element oder einer Schnittstelle wie Kleber oder Heat-Slug. Eine schrittweise Annäherung an die kumulierte Strukturfunktion kann verwendet werden, um aus einer Reihe zusammengefasster Wärmewiderstände und Wärmekapazitätswerte ein Cauer-Modell abzuleiten, das mehrere Stufen umfasst. Das äquivalente RC-Modell ist symbolisch unter dem Diagramm dargestellt. Die hellblaue Linie in Bild 3 spiegelt einen nützlichen zweiten Schritt wider. Grenzbedingungen, die an verschiedenen Oberflächen des Gehäuses auftreten, sollten nicht ignoriert werden, da sie alternative Wärmeflusspfade darstellen. Eine Methode, um die Auswirkungen dieser Grenzen zu ermitteln ist, einfach den Wärmepfad an einer Schnittstelle zu unterbrechen und zu sehen, ob sich das thermische Verhalten im Bereich zwischen der Unterbrechung und der Wärmequelle ändert. Die blaue Linie stellt die Messungen dar, die sich ergeben, wenn eine dünne Plastikfolie zwischen MCPCB und Kühlplatte eingefügt wird.

Ein Vergleich der beiden Linien zeigt, dass sich das Verhalten im Wärmepfad, der zur Kühlplatte führt, nicht wesentlich ändert. Die Schlussfolgerung ist, dass die gemessene interne thermische Chatakteristik einer Level-1-LED unabhängig von den Grenzbedingungen ist. Deshalb ist das RC-Kettenbruchschaltungsmodell in Bild 3, das den Wärmeflusspfad beschreibt, eine ausreichende Basis für die Charakterisierung von Level-2-LED-Assemblies. Dieses Modell ist „allgemein“, ein tatsächliches Modell würde jedoch die spezifischen Werte die Widerstände und Kapazitäten enthalten. Sorgfältig bestimme RC-Modelle verraten mehr über eine LED als nur ihre Eignung für unterschiedliche Anwendungen. Modelle können auch Designprobleme aufzeigen, die die Herstellbarkeit oder Zuverlässigkeit eines Geräts beeinflussen. RC-Netzwerkmodelle, die mit Hilfe von thermischen Transienten-Messungen entwickelt wurden, können direkt in thermischen Designwerkzeugen verwendet werden, um das Verhalten eines LED-Systems zu simulieren.

Was bei der Transienten Messmethode anders ist

Bild 4: Das Diagramm zeigt die Größe aller Wärmewiderstände im Wärmeflusspfad vom Die durch die Struktur bis zur Kühlplatte, die im Testaufbau verwendet wird
Bild 4: Das Diagramm zeigt die Größe aller Wärmewiderstände im Wärmeflusspfad vom Die durch die Struktur bis zur Kühlplatte, die im Testaufbau verwendet wird
(Mentor Graphics)
Der Junction-to-Case-Wärmewiderstand ist selbst für LED-Packages die am besten geeignete Kennzahl, da sie den Wärmeflusspfad vom Entstehungsort der Wärme am PN-Übergang bis hinunter zum Gehäuseboden charakterisiert – genau wie LED-Packages zur optimalen Kühlung konstruiert sind.

Die neue Transienten-Methode nutzt den „Dual-Interface“-Ansatz, bei dem das Bauteil an einer Kühlplatte mit und ohne Wärmeleitpaste gemessen wird. Der Junction-Case-Widerstand wird bestimmt, indem die Unterschiede zwischen beiden Messungen ermittelt werden. Dabei ist eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit der Messungen erforderlich, weil die thermischen Impedanz-Kurven für die beiden Messungen identisch mit dem Punkt sein müssen, an dem die Wärme das Gehäuse verlässt und in die thermische Schnittstelle zwischen Gehäuse und Kühlplatte eindringt. Der Punkt, an dem die Kurven abweichen, sind eindeutig. Um schnelles und genaues Testen thermischer Transienten zu gewährleisten, verwendet der thermische Transienten-Tester T3Ster von Mentor Graphics eine Implementierung der statischen Version des JEDEC-Testverfahrens. Die Kombination vonT3Ster mit TeraLED, einem CIE 127:2007-konformen Gesamtfluss-Mess-System mit Temperaturüberwachung, ergibt eine umfassende Testumgebung für LEDs, die konsistente thermische und radiometrische/photometrische Charakterisierung von LEDs ermöglicht. Das System ist vollständig automatisiert und gestattet es, eine LED in einer Stunde an etwa 50 Betriebspunkten anhand Durchlass-Strom und Temperaturkombinationen zu charakterisieren.

Die thermische Kennziffern einer LED

Bild 5: Der vollständige Flow des physikalischen Testens, thermischen Modellierens und der thermischen Analyse von Festkörperbeleuchtungs-Lösungen
Bild 5: Der vollständige Flow des physikalischen Testens, thermischen Modellierens und der thermischen Analyse von Festkörperbeleuchtungs-Lösungen
(Mentor Graphics)
LED-Anbieter veröffentlichen die thermischen Kennzahlen oft nur bei einer Temperatur, zum Beispiel für eine Sperrschichttemperatur von 25 °C. Diese ist weit von der Temperatur entfernt, bei der LEDs betrieben werden. Ergänzt werden die Daten durch Diagramme, die die relative Lichtausbeute als eine Funktion der Sperrschichttemperatur zeigen. Es wird kein standardisiertes Verfahren verwendet, um die Kennlinien zu erreichen. Die Strukturfunktion lässt sich durch eine stückweise lineare Anpassung darstellen, die die Kennlinie in eine Reihe diskreter Wärmwiderstände und Wärmekapazitätsstufen aufteilt. Die Werte der Widerstände und Kapazitäten innerhalb des Packages bieten ein auf Messungen basiertes thermisches Modell, das rechnerisch effizient ist und den Wärmeflusspfad genau erfasst. Diese DCTMs erfassen die thermische Reaktion der LED als Funktion der Zeit. Wenn sie mit T3Ster und TeraLED generiert werden, dann entsprechen die Modelle den Eigenschaften der gemessenen Lichtausbeute.

Mehr als 100 thermische Messungen am Tag

Im thermischen Design werden DCTMs für CFD- (Computational Fluid Dynamic-)Analysen von Unterbaugruppen oder kompletten Beleuchtungen verwendet. Messungen mit älteren und weniger dynamischen Testmethoden sind erfassen die Werte nur langsamer. Außerdem bieten sie nicht die Genauigkeit, die für JESD51-14-konform Wärmewiderstandsmessungen sowie für DCTMs erforderlich sind. Im Falle von LEDs sind sie unzulässig. Ein T3Ster-System kann pro Tag mehr als 100 JESD51-1/JESD51-14-konforme thermische Messungen an einer LED durchführen. Damit ist es das schnellste thermische Testsystem, das heute auf dem Markt ist. Mit einer Temperaturauflösung von 0,01 °C ist es auch das exakteste System, um das Einschwingverhalten einer LED nach nur etwa 1 µs (1 x 10-6 s) zu ermitteln. Der frühestmögliche Teil der thermischen Reaktion einer LED wird erfasst. Auf diese Weise erkennt man, welchen Einfluss wesentliche Konstruktionsmerkmale in der Nähe der Wärmequelle in einem LED-Package haben.

Strukturfunktionen eignen sich auch ideal für Fehleranalysen. Als Abweichung von der Strukturfunktion eines bekannten, guten Gerätes bieten sie Informationen über mögliche strukturelle Defekte wie Hohlräume oder Delaminierung von thermischen Schnittstellen. Der hohe Messdurchsatz von T3Ster ermöglicht es Systemintegratoren (Hersteller von Kfz-Beleuchtung, Automobil-OEMs sowie Kunden in sicherheitskritischen Industriebereichen), viel leichter und schneller als je zuvor die Wärmewiderstandsdaten der Anbieter während des Designs zu verifizieren und eingehende COTS-Bauteile zu testen, bevor diese in die Produktion gehen.

* Dr. John Parry Mechanical Analysis Division, Mentor Graphics Corporation.

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