Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. Elektronikus Eszközök Tanszéke

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Elektronikus Eszközök Tanszéke

LED-es közvilágítási lámpatestek termikus tranziens teszteléssel való diagnosztikai vizsgálatának lehetőségei Kovács Zoltán, Marosy Gábor, Poppe András

eet.bme.hu

Bevezető ► A szilárdtest világítástechnika fejlődésében hasonló trend figyelhető meg, mint a Moore törvény a mikroelektronikában

► Az ár/fény [$/lm] hányados folyamatos csökkenése  A LED-ek széleskörűen alkalmazhatóak, többek között a közvilágításban is.  Kis feszültség szint  könnyen megoldható az elektronikus vezérlés és egyéb kiegészítő funkciók megvalósítása eet.bme.hu

2011. február 1. © BME Elektronikus Eszközök Tanszéke, 2011.

2

Bevezető ► LED alapú fényforrások jelenleg még drágábbak, mint a hagyományos fényforrások, de sok előnyül is van ► Hosszabb várható élettartam – amennyiben a pn-átmenet hőmérséklete alacsonyan tartható

50% fényáram

80% fényáram

 Vezérelhető (DC meghajtás esetén)  Könnyű fényerő szabályozás (pl.: PWM)  Integráció lehetősége kommunikációs hálózatokkal  Intelligencia beépítésének lehetősége, pl.: diagnosztikai funkciók Köztéri lámpák: a lámpatest belsejében az érintésvédelmi szabványok figyelembe vétele mellett a gyártók szinte minden esetben a DC meghajtást alkalmazzák  DC LED-ek és LED vezérlő áramkörök eet.bme.hu


3

Bevezető: Az intelligens utcai lámpák víziója ► Vezérlés, diagnosztika, érzékelés és kommunikációs lehetőségek integrálása Közlekedés fény és környezet érzékelés

Kommunikáció lehetővé teszi: • A távoli fényerő szabályozást • A lámpák adatainak lekérdezését pl.: hőmérséklet, mozgás, fényerő • Minden fényforrás (LED) diagnosztikai adatainak lekérdezését

Távfelügyeleti központ IP alapú kommunikáció Powerline kommunikáció

eet.bme.hu


4

Mi a legfontosabb kérdés? Tjunction minimalizálása! ► Keletkező hőveszteség legnagyobb része hővezetéssel távozik Teljesítmény LED

-

Fény: ~15..40%

Hő veszteség: ~85-60%, a legnagyobb része hővezetésen keresztül

► A hőleadás minden esetben hővezetéssel kezdődik ► A retrofit LED-es lámpák a lámpatestet használják hűtőfelületként ► A termikus határfelületek átmeneteinek hőellenállása szignifikáns elem a hővezetési útban Aktív LED chip rögzítése „klasszikus” die attach (TIM1) forrasztás / ragasztás a MCPCB-hez „klasszikus” TIM2 a hűtőborda és az MCPCB között

A termikus tranziens tesztelés bizonyítottan jó TIM minősítő eljárás eet.bme.hu


5

A lámpatest a legtöbb esetben hűtőborda is: ► A lámpatest és a LED közötti TIM minősége a legkritikusabb

A LED-ek tokozásának modellezését T3Ster+TERALED mérés alapján, a szimulációt FloTHERM segítségével végeztük. eet.bme.hu

CAD modelt a HungaroLux Kft. készítette 2011. február 1.

© BME Elektronikus Eszközök Tanszéke, 2011.

6

A LED-ek tranziens mérésével nyerhető adatok Teljesítmény

Tokozás dinamikus modellje

Réteg hőmérséklet

h(t)

a(t) Idő

Idő Impulzusüzemű hőellenállás diagram T3Ster Master: Pulse Rth Diagram

Struktura függvény T3Ster Master: cumulative structure function(s)

CREE_MCE_AL_2_25_MY_F1_T25_I0350 CREE_MCE_AL_2_25_MY_F1_T25_I0350 CREE_MCE_AL_2_25_MY_F1_T25_I0350 CREE_MCE_AL_2_25_MY_F1_T25_I0350

3.5

Pulse thermal resistance [K/W]

CREE_MCE_AL_2_25_MY_F1_T25_I0350 - Ch. 0 100

Cth [Ws/K]

10

1

0.1

- 0.50 - 0.25 - 0.10 - 0.05

3 2.5

2

1.5

1

0.01

0.5

0.001

1e-5

1e-4

0.001

0.01

0.1

1

10

100

Time [s] 0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

► A h(t) teljesítmény egység-ugrást alkalmazunk a pn-átmeneten ► Az a(t) tranziens hőmérséklet választ mérjük a nyitófeszültség hőmérsékletfüggése alapján. Az egységugrás válaszfüggvény egy lineáris a rendszernél a rendszerre vonatkozó minden információt tartalmaz. (A hővezetési út ilyen rendszer.) ► A megmért a(t) alapján matematikai eljárások segítségével meghatározható: Rth [K/W]

 Struktúra függvény – ideális a TIM karakterizációjára  Tokozás koncentrált paraméteres dinamikus termikus modellje  Impulzusüzemű hőellenállás diagram / helygörbe (frekvencia tartománybeli leírás) 2011. február 1. 7 eet.bme.hu © BME Elektronikus Eszközök Tanszéke, 2011.

A cél: a TIM minősítése a terepen lévő lámpákban ► Hogyan lehetséges?  Köztéri LED-es lámpatestekbe szánt különféle LED szereléstechnikai megoldások termikus tranziens vizsgálata (KÖZLED projekt, 2009) • A TIM hőmérsékletfüggésének megfigyelése (Poppe és társai, SEMI-THERM’10)

 Hosszú távú stabilitási vizsgálatok – mi várható egy lámpatestben? • A „klasszikus” TIM változásainak megfigyelése (Poppe és társai, SPIE SSL’10) • Az egyes LED-ek chip rögzítésének és egyéb termikus határfelületeinek degradációja (pl.: megfigyelhető volt a ragasztások/forrasztások helye a LED tokozás és a MCPCB között)

► Milyen változás mérhető a lámpatestben?  A PWM - alapú fényszabályozáskor • Rövid idejű 10..100ms mérési ablak áll a rendelkezésre • A DA mérése megvalósítható, de drága laborműszer érzékenysége szükséges hozzá

 Napi, tervezett ki/be kapcsoláskor • Nincs mérési idő korlátozás • Kisebb időfelbontás esetén a „klasszikus” TIM is mérhetővé válik • Idő igények: a  időállandó mérése 0.1 és 10 között szükséges (Székely, THERMINIC’08)  reális és olcsó áramkörök   1ms

► Problémák: nincs lehetőség a nyitófeszültség hőmérsékletérzékenységének megállapítására eet.bme.hu


8

Esettanulmány a KÖZLED projekt számára ► 3 különféle összeállítás nagy teljesítményű 10W-os fehér LED-del  FR4 PCB, TIM a réz szerelvény és a LED tok hűtőfelülete között

 FR4 PCB, LED tok hűtőfelülete a réz szerelvényhez forrasztva

 Fém magvas NYÁK (MCPCB), hűtőfelület forrasztva

CAD képeket a OptimalOptik Kft. készítette.

eet.bme.hu


9

10W-os fehér LED mérési eredményei ► Mérés 700 mA és 85oC -on  A három elrendezés hőellenállása, Popt teljesítménnyel is számolva FSF52

AL TG2500

RthJC real ≈ 2 K/W

eet.bme.hu


10

10W-os fehér LED mérési eredményei

► Mérés 700 mA és 85oC -on

 A három elrendezés hőellenállása, Popt teljesítménnyel is számolva

TG2500

AL

FSF52

RthJC real ≈ 2 K/W

 A JEDEC J15 bizottság által szabványosított új mérési elv (JESD51-14) szerint megállapított RthJC érték eet.bme.hu


11

10W-os fehér LED mérési eredményei

► Mérés 700 mA és 15..85oC között

 AL-2 minta struktúra függvénye (emittált fényteljesítmény figyelembevételével mérve)

LED tokozás: nincs változás

MCPCB &TIM: hőmérséklet függése

 A TIM hővezető képessége hőmérsékletfüggő eet.bme.hu


12

LM80 szabvány szerint mérések a Pannon Egyetemen

LM80 tesztkamra a LED felszerelése után

Minden mérés in-situ módon történik, hogy a mérés során kiküszöböljük az esetleges hőellenállás változások használatát. eet.bme.hu

In-situ termikus tranziens mérés

In-situ fotometriai mérés 2011. február 1.

© BME Elektronikus Eszközök Tanszéke, 2011.

13

LM80 teszt eredmények különféle LED-ekkel ► Együttműködés a KÖZLED projekt keretein belül a veszprémi Pannon Egyetemmel ► 8 különféle LED, 4 gyártótól, 6000 órás égetés (adatokat 3000 óráig közlünk itt) Fényteljesítmény csökkenést Relatív fényáram

4.Osram LUWV5AM 350mA O gyártó 110%

41 42

105%

NEM feltétlenül a LED degradációja okozza, hanem a Rth növekedése, ami a TIM degradációja miatt következett be ebben az esetben

43 100%

44 45

95%

46 aver.

90% 85% 0

200

400

600

800

Struktúra függvény felvéve 0h, 500h,

1000

Nincs változás a LED tokon belül

1200

Time [h]

1000h

eet.bme.hu


14

LM80 mérési eredmények: pontos dVF/dT adatok

16 14 12

T3Ster Master: Simított válasz függvény

T3Ster Master: Kumulatív struktúra függvények

Cth [Ws/K]

TJ [°C]

► A termikus tranziens mérési eredmények, ha ismert a nyitófeszültség hőmérsékletérzékenysége

O gyártó, #44 minta, 0h O gyártó, #44 minta, 500h O gyártó, #44 minta, 2000h O gyártó, #44 minta, 3000h


100 10

Valós dVF/dT értékekkel

0.9

15.1

Valós dVF/dT értékekkel

1

10 0.1 8

0.01

6 4

0.001

2

1e-4

0 1e-6

1e-5

1e-4

0.001

0.01

0.1

1

10

t [s]

LED tokozás: Kis változás az 500 óra után

1e-5 0

2

4

6

8

10

12

TIM: +0.06∙RthJA

Rth [K/W]

► Problémák:  dVF/dT érzékenység változik az időben  Nem lehetséges a kalibráció eet.bme.hu


15

LM80 mérési eredmények: dVF/dT változás ► Az O gyártó mintáin megfigyelhető a nyitófeszültség hőmérséklet érzékenységének változása: O gyártó, 41- 46 minta: dVF/dT érzékenység változása

Érzékenység [mV/K]

-2.4 -2.3 -2.2 -2.1

O_41 O_42 O_43 O_44 O_45 O_46

-2 -1.9 -1.8

-1.7 -1.6 0

500

1000

1500

2000

2500

3000 t [óra]

► pl.: a 44-es mintán 4.3% hőmérséklet érzékenység változás volt megfigyelhető ► A változás „kompenzálja” a TIM öregedés hatását… eet.bme.hu


16

LM80 teszt eredmények: nem valós dVF/dT mellett

16 14 12

T3Ster Master: Simított válasz függvény

T3Ster struktúra függvények T3SterMaster: Master: Összegzett cumulative structure function(s) 1000


GoldenD_44_0h - Ch. 0 44_54_64_500h - Ch. 0 14-24-34-44_2000h - Ch. 3 14_24_34_44_3000h - Ch. 3

100 10

dVF/dT = -2mV/K Cth [Ws/K]

TJ [°C]

► Konstans érzékenység értéket (-2 mV/K) feltételezve (kalibrálatlan termikus mérés) a TIM öregedése nem látszik:

10 8

1 0.1 0.01

6 0.001

4

1e-4

2 0 1e-6

1e-5

1e-5

1e-4

0.001

0.01

0.1

1

10

t [s]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Rth [K/W]

Csak ennél drasztikusabb változások detektálása reális

Konstans érzékenységet feltétezve a struktúrafüggvények identikusnak adódnak. Ez azért probléma, mert a terepen nem lehetséges kalibrált termikus mérést végezni.

eet.bme.hu


17

Drasztikus öregedés egy ázsiai gyártónál… Érzékenység [mV/K]

► Eredmények valós érzékenység értéket feltételezve HK gyártó, 61-65 minták: dVF/dT érzékenység változás

-1.7 -1.6 -1.5 -1.4 -1.3 -1.2 -1.1 -1 -0.9

HK_61 HK_62 HK_63 HK_64 HK_65

Cth [Ws/K]

T3Ster Master: összesített struktúra függvény(ek) 0 5.6

500

1000

1500

2000

2500

3000 t [óra]

0.6

4.7

100 10 1

0.1 HK gyártó, HK gyártó, HK gyártó, HK gyártó,

0.01 0.001

#61 minta, 0h #61 minta, 500h #61 minta, 2000h #61 minta, 3000h

Valós dVF/dT értékek

1e-4 1e-5 0

2

4

6

8

Rth [K/W]

eet.bme.hu


18

Drasztikus öregedés egy ázsiai gyártónál… ► Eredmények konstans érzékenységet (-2 mV/K) feltételezve: TJ [°C]

T3Ster Master: Simított válasz függvény(ek) HK gyártó, HK gyártó, HK gyártó, HK gyártó,

6 5

A LED / MCPCB felület elválása, valamint a TIM öregedés is jól megfigyelhető már magán nyitófeszültség tranziens alapján is.

#61 minta, 0h #61 minta, 500h #61 minta, 2000h #61 minta, 3000h

dVF/dT = -2mV/K 4 3

T3Ster Master: cumulative structure function(s) T3Ster Master: összesített struktúra függvény(ek) 1000 HK_61_0h - Ch. 0 41_51_61_500h - Ch. 2 51-61-91-101_2000h - Ch. 1 51_61_71_3000h - Ch. 1

2 100

1 0 1e-6

1e-5

1e-4

0.001

0.01

0.1

1

10 t [s]

A mérés 30 s alatt elvégezhető, továbbá elegendő a 0.1ms..1ms közötti időfelbontás is. Valós körülmények még szélsőségesebbek, mint az LM80-as kamra körülményei:  vibráció  páratartalom, hőmérsékleti ciklusok eet.bme.hu

Cth [Ws/K]

10

1

0.1

0.01

0.001

1e-4 0

1

2

3

4

6

Rth [K/W]


5

19

Összegzés ► Megvizsgáltuk, hogy milyen strukturális változások fordulhatnak elő a közvilágítási lámpatestekben használni tervezett LED-ek esetében (a pn-átmenetétől a környezetig terjedő hővezetési útban). ► A veszprémi Pannon Egyetemen végzett hosszú távú LED stabilitási vizsgálatok eddigi eredményei alapján elmondható, hogy  a LED-es közvilágítási lámpatestekben a termikus határfelületi anyag degradációja várható,  LED szerelvények belső szerkezeti degradációja (pl. felválás a fém magvas NYÁK-ról) is bekövetkezhet.

► Ha a strukturális degradáció nagy (nagyobb, mint a LED-ek nyitófeszültsége hőmérséklet érzékenységének időbeli relatív változása), egyszerű termikus tranziens mérésen alapuló öndiagnosztika segítségével ez kimutatható és tervezett karbantartás kezdeményezhető. eet.bme.hu


20

Összegzés ► A mért termikus tranzienseknek a normálistól való drasztikus eltérése esetén off-line struktúra függvény analízis segítségével a meghibásodás fajtája jó eséllyel megállapítható és a karbantartási igény pontosítható, pl.:  LED csere (felválás a fém magvas NYÁK-ról),  Rögzítés javítása (NYÁK meglazulása a lámpatestben) • Ennek gyakorisága egyelőre nem ismert

► A szükséges mérőáramkörökkel szemben támasztott követelmény nem túl nagy, ~1ms időfelbontás elégséges ahhoz, hogy detektáljuk a LED / MCPCB vagy a TIM2 öregedését vagy delaminációját.  Ennek a vizsgálatához nem kell bonyolult adatfeldolgozás, elegendő a „nyers” nyitófeszültség tranziens mérése.  Későbbi struktúra függvény analízis csak a hiba jellegének megállapításához szükséges.

eet.bme.hu


21

Köszönetnyilvánítás ► Részben az NKTH TECH_08-A4/2-2008-0168 számú KÖZLED projektje, ► részben a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen futó TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR-2010-0002 számú projekt támogatta. ► Köszönetet mondunk KÖZLED partnereinknek:  a Pannon Egyetemnek az LM80 mérésekben való részvétel lehetőségért.  az OptimalOptik Kft.-nek a rendelkezésünkre bocsájtott LED mintákért és azok CAD rajzaiért,  A HungaroLux Kft.-nek LED-es lámpatestük CAD modelljéért

► A Mentor Graphics MicReD részlegének a CFD szimulációk elvégzésében és néhány mérésünk elvégzésében nyújtott segítségéért

eet.bme.hu


22

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. Elektronikus Eszközök Tanszéke

Recommend Documents