und Verbindungstechnik für High-Power LED Power
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IOF, 29. Juni 2006 Aufbau- und AufbauVerbindungstechnik für HighHigh-Power LEDLEDModule Inhalt I. Einleitung II. Packaging Grundlagen III. Standard Chip Packages / Chip On Board IV. Thermisches Management V. Verbesserung der Effizienz VI. Elektrische Schaltung VII. Zusammenfassung / Ausblick VIII. Anwendungen Page 2 I. Einleitung PerkinElmer Facts about PerkinElmer 8000 employees worldwide 2005 Revenue $1.5 billion Operating in 125 countries Member S&P 500 Index New: PerkinElmer ELCOS -> LED Solutions Business Units LIFE & ANALYTICAL SCIENCES MEDICAL Page 3 BIOTECH OPTOELECTRONICS INDUSTRIAL MILITARY / AEROSPACE I. Einleitung PerkinElmer MEDICAL Cermax® Xenon BIOTECH INDUSTRIAL MILITARY / AEROSPACE Cooled CCD Cameras Power Supply Flash Digital X-Ray Detectors LED Solutions High Performance Sensors Pulsed Xenon Cermax® Xenon Medical Lighting Channel Photomultipliers Image Tubes Page 4 Analytical Subsystems Smart Sensors Smart Ignition Systems I. Einleitung LED – historisch 1962 first red GaAsP LED from General Electric Page 5 1960... 1970... 1980... 1990... 2000... GaAsP red monolithic displays Reflector, yellow green Blue, white High power I. Einleitung LED - Entwicklung Quelle: Jagdish Rebello, PhD Industry Analyst, iSuppli Report 2004 Page 6 I. Einleitung Packaging Grundlagen Page 7 Chip-On-Board (COB) Package C Encapsulant Chip (Die) High Power LED chip Die attach / adhesive Wire bonds Encapsulant (silicone) Sub carrier Heat sink Die attach Cu PCB Adhesive Heat sink Page 8 II. Packaging Grundlagen LED Chip Entwicklung Brightness potentials for different chip designs (example High Brightness InGaAlP) (AlInGaP: direct semiconductor until 53% Al / 555 nm) Page 9 II. Packaging Grundlagen LED Chips Page 10 CREE CB series (250µm) CREE UB / MB series (250µm) CREE XB series (250µm) CREE XThin series (115µm) CREE EZBright (100µm) 2 mW 4 / 8 mW 10 mW 12 - 15 mW 24 mW II. Packaging Grundlagen LED Chips, Wafer Bonding A metal-bonding scheme used for creating an "artificial" wafer with epilayers on a new carrier and buried metalmirror layers in between. Page 11 II. Packaging Grundlagen Mechanische Eigenschaften Material Audehnungskoeffizient ppm/K Al2O3-Keramik 5-7,5 AlN 2,5-4 Aluminium Epoxy FR4 GaAs, GaN Germanium Encapsulant 23 180 Chip (Die) 10-30 6,2 Die attach 6 Kapton 27 Kupfer 16,5 Messing 18,4 Cu PCB Adhesive PMMA 85 Saphir 7,5 SiC 4,2 Silizium 2,5 Stahl Page 12 Heat sink 9-13 II. Packaging Grundlagen Fuse current (A) Drahtbonden Loop length (mm) Page 13 II. Packaging Grundlagen Verkapselung Light extraction with high-refractive chip materials (left), calculation (right) Page 14 II. Packaging Grundlagen Substratmaterialien FR4 Printed Circuit Board (PCB) low thermal conductivity Ceramic (Al2O3, AlN) high thermal conductivity Metal core PCB (MPCB) high thermal conductivity Page 15 II. Packaging Grundlagen Standard Chip Packages / Chip On Board Page 16 COB <-> Standardkomponenten ☺ Standard single chip package ☺ hohe Effizienz ☺ Ausnutzen der Kantenstrahlung (Reflektoren) ☺ kleine Abstrahlwinkel möglich großer Platzbedarf (5mm LED, TopLED 2,8x3,2mm) geringe Packungsdichte (bei TopLED nur 1-5% Anteil der leuchtenden Flache) Chip on Board ☺ sehr hohe Packungsdichte ☺ bis 85% Anteil der leuchtenden Fläche ☺ hohe Betriebsströme möglich weiter Abstrahlwinkel zusätzliche Optiken notwendig geringere Effizienz Page 17 III. Standard Chip / COB Technologieauswahl Standardchips – Powerchips Vorteile Page 18 Nachteile Standardchip typ. 0,3mm viele Anbieter viele Wellenlängen kleine Preise geringe Leistung pro Chip viele Chips notwendig höhere Bondkosten geringere Packungsdichte Powerchip O,5-1,4mm große Leistung pro Chip nur wenige Chips notwendig hohe Packungsdichte wenige Anbieter nicht alle Wellenlängen oft teuer Beispiel (1 x 1)cm² chip 3,5mW @ 20mA 0,3mm Chip 0,8mm pitch 12 x 12 = 144 Chips 20mA pro Chip 0,5W optische Leistung 1mm powerchip 1,1mm pitch 9 x 9 = 81 Chips 350mA pro Chip (61,25mW) 5W optische Leistung III. Standard Chip / COB Page 19 Page 20 Thermisches Management Page 21 Thermischer Aufbau Ausgewählte Daten für eine 1W Wärmequelle auf einem Substrat mit 10mm2 Fläche und 1mm Dicke. Chip Adhesive / Solder Gold Sub carrier Silver Palladium Adhesive / Solder Heat sink heat Wärmespreizung: Layout mit größen Kupferflächen für die Chips Hohe Wärmeleitfähigkeit der Verbindungsmaterialien, geringe und homogene Schichtdicken Häufige Fehlerquelle: mangelhafte Verbindung des Chipträgers mit einem Kühlkörper Page 22 IV. Thermisches Management Wärmebild LED Modul Page 23 IV. Thermisches Management Erwärmung 1,00 0,90 Abfall der optischen Leistung 0,80 Absinken der Flussspannung 0,70 Verschiebung der Wellenlänge 0,60 intensity (a.u.) Degradation 20mA 30mA 40mA 0,50 50mA 0,40 60mA 70mA 0,30 100 0,20 90 0,10 80 0,00 If (mA) 70 560 580 600 620 640 660 680 700 wavelength (nm) 60 50 T VF IF λpeak 30 25° 2,0V 20mA 615nm 20 100° 1,86V 25mA ? 625nm ∆T = 75° ∆VF= -0,135V ∆VF≈5mA -1,8mV/K exp. 40 10 0 1,97 2,02 ∆λpeak=10nm 2,07 Vf /V) +0,13nm/K AlInGaP LED (615nm) Page 24 IV. Thermisches Management IR Array Beispiel: 4x4=16 Powerchips (1mm); 850nm; 350mA; 1,7V; optisch je 140mW, ges. 2,24W TK: opt. Leistung -0,5%/K; Flussspannung -2mV/K; Wellenlänge +0,25nm/K Substrat Page 25 Träger Dielektrikum dT (°K) P (W) Vf (V) (nm) 0 2,24 1,7 850 1mm FR4 0,23W/m*K 1850 -18,48 -2,0 1313 0,1mm FR4 0,23W/m*K 163 0,41 1,4 891 100 1,12 1,5 875 50 1,68 1,6 863 1mm Cu-PCB 400W/m*K 75µm/1W/m*K 37 1,83 1,6 859 1mm Cu-PCB 400W/m*K 120µm/2W/m*K 30 1,90 1,6 858 1mm Al2O3 25W/m*K 28 1,93 1,6 857 1mm Cu-PCB 400W/m*K 18 2,04 1,7 855 1mm AlN 180W/m*K 6 2,17 1,7 852 154µm/5W/m*K IV. Thermisches Management Bedeutung des thermischen Managements Das Wärmemanagement ist eine Schlüsseltechnologie: Page 26 D E LED 530 ∼ 80 90% der elektrischen Leistung produziert Wärme Chip-on-BBoard ermöglicht P 10 P2 = sehr hohe Verlustleistung auf kl. Fläche W2 = hohe Wärmeproduktion auf kl. Fläche W2 COB Module müssen für optimales Wärmemanagement designed M werden: optimale Wärmeleitung vom p-n-Übergang zum Kühlkörper U IV. Thermisches Management Verbesserung der Effizienz Page 27 Verbesserung der Effizienz Verdopplung der Lichtauskopplung durch Verguss Nutzung der Kantenstrahlung durch zusätzliche Reflektoren Achtung: Reduzierung der Packungsdichte Einheit von optischen, thermischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften Achtung: geeigneten Leitkleber wählen, homogener und dünner Schichtauftrag Einteilung moderner LED Chips (Dünnfilm-LED, Waferbonding mit Spiegelschichten auf gut wärmeleitfähigen Substraten) nach der Art der Kontakte in zwei Gruppen: AlInGaP Chips: typischerweise je einen Kontakt auf der Vorder- und Rückseite InGaN Chips: häufig beide Kontakte auf Oberseite und isolierte Rückseite Montage direkt auf Kühlkörper Page 28 V. Effizienzverbesserung Reflektoren Page 29 V. Effizienzverbesserung Silizium Reflektor Submount • B = 0 µm • D = 1000 µm • θ = 54.7° • B = 1000 µm • D = 1000 µm • θ = 54.7° θ B D Page 30 V. Effizienzverbesserung Zusatzoptiken Page 31 V. Effizienzverbesserung Elektrische Schaltung Page 32 Elektrische Schaltung Parallelschaltung Serienschaltung Parallele/serielle Schaltung cross connection Page 33 VI. Elektrische Schaltung Parallelschaltung Page 34 VI. Elektrische Schaltung Zusammenfassung / Ausblick Page 35 Zusammenfassung Die größte optische Leistung für High Power LED-Anwendungen wird durch Chip on Board Technologie (COB) erreicht. Durch Integration von Reflektoren kann der Wirkungsgrad erheblich gesteigert werden. Geringe Kosten durch automatisierte Fertigung. Im Vergleich zu Standardkomponenten hochgenaue Chippositonierung. Gutes Thermomanagement ist die Voraussetzung für die Realisierung positiver LED-Effekte wie lange Lebensdauer, hohe Effizienz und spektrale Charakteristiken. High Power LED-Module in Chip on Board Technologie sind aktuell in einem Sprektralbereich von UV (ca. 380nm) bis IR (ca. 950nm, 1050nm, 1300nm, 1550nm) möglich und werden zunehmend und in hoher Zahl umgesetzt. Page 36 VII. Zusammenfassung Ausblick RD F H LED 1. Erhöhung Q 2. V L 3. Optimiertes Chipdesign (skalierbare Chipgröße, Lebensdauer, thermische Belastbarkeit, …) RD F P F Page 37 1. B P M 2. O D 3. O D 4. Reduzierung der Kosten VII. Zusammenfassung Anwendungen Page 38 ACULED (All color high brightness LED) MEDICAL Page 39 AVIONICS MILITARY INDUSTRIAL AUTOMOTIVE PHOTO SENSORS OTHER Anwendungen Photo-DiagnostiK / Photo-Therapie MEDICAL AVIONICS MILITARY INDUSTRIAL AUTOMOTIVE PHOTO SENSORS OTHER 448 Power LED Chips / cross connections (50mm Durchmesser) Page 40 Anwendungen Anticollision Light MEDICAL Page 41 AVIONICS MILITARY INDUSTRIAL AUTOMOTIVE PHOTO SENSORS OTHER Anwendungen Beleuchtung MEDICAL AVIONICS Page 42 MILITARY INDUSTRIAL AUTOMOTIVE PHOTO SENSORS OTHER LED Power Array für Vision Systeme LED Power Line Array mit Linsenarray Kupfer PCB Anwendungen LED Lichtquelle für MiniLab MEDICAL Page 43 AVIONICS MILITARY INDUSTRIAL AUTOMOTIVE PHOTO SENSORS OTHER Anwendungen Automobil und Optoelektronik 2003 zusätzliche Hilfen Antiblockiersystem (ABS) Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) Bremsassistent Reifendruckkontrolle Kurvenlicht Adaptive Cruise Control (ACC): Abstandshaltung per Radar zum vorausfahrenden Auto 2010 Spurhalterassistent Spurwechselassistent Infrarot-Nachtsichtgerät Automatische Notbremse Müdigkeitserkennung Nebelsensor Unfallerkennung Fußgängererkennung Rückwärtige Videokameras erlauben den seitenrichtigen Blick nach hinten. Videokameras überwachen die Straße und schlagen Alarm, wenn der Fahrer von der Spur abzukommen droht (bis 80m). Eine Infrarotkamera dient als Nachtsichtgerät (bis 120m). Ein 77GHz Long Range Radar fungiert als Abstandsmesser zu vorausfahrenden Autos (bis 150m). Ultraschallsensoren in den Stoßstangen loten die Parklücke aus. Wenn sie groß genug ist, parkt der Wagen automatisch ein (bis 3m) Mithilfe von IR-Videosystemen wird die aktuelle Sitzbelegung und -position erkannt (Intelligente Airbagauslösung ). Mit dem intelligenten Tempomat ist die Kollisionserkennung möglich (5-10m). Quelle: Handelsblatt, 23-08-2004 Page 44 Anwendungen [email protected] Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Page 45
