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
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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
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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
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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
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I. Einleitung
Packaging Grundlagen
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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
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II. Packaging Grundlagen
LED Chip Entwicklung
Brightness potentials for different chip designs (example High Brightness InGaAlP) (AlInGaP: direct semiconductor until 53% Al / 555 nm)
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II. Packaging Grundlagen
LED Chips
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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.
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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
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Heat sink
9-13
II. Packaging Grundlagen
Fuse current (A)
Drahtbonden
Loop length (mm)
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II. Packaging Grundlagen
Verkapselung
Light extraction with high-refractive chip materials (left), calculation (right)
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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
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II. Packaging Grundlagen
Standard Chip Packages / Chip On Board
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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
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III. Standard Chip / COB
Technologieauswahl
Standardchips – Powerchips
Vorteile
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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
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Thermisches Management
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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
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IV. Thermisches Management
Wärmebild LED Modul
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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)
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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
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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:
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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
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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
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V. Effizienzverbesserung
Reflektoren
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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
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V. Effizienzverbesserung
Zusatzoptiken
Page 31
V. Effizienzverbesserung
Elektrische Schaltung
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Elektrische Schaltung
Parallelschaltung Serienschaltung Parallele/serielle Schaltung cross connection
Page 33
VI. Elektrische Schaltung
Parallelschaltung
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VI. Elektrische Schaltung
Zusammenfassung / Ausblick
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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.
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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
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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
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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
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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
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Anwendungen
[email protected]
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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