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. 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 2011. február 1. 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 2011. február 1. 4
Mi a legfontosabb kérdés? T junction 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 2011. február 1. 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. CAD modelt a HungaroLux Kft. készítette eet.bme.hu 2011. február 1. 6
Cth [Ws/K] Pulse thermal resistance [K/W] A LED-ek tranziens mérésével nyerhető adatok Teljesítmény h(t) Réteg hőmérséklet a(t) Idő Idő Tokozás dinamikus modellje 100 Struktura függvény T3Ster Master: cumulative structure function(s) CREE_MCE_AL_2_25_MY_F1_T25_I0350 - Ch. 0 3.5 3 Impulzusüzemű hőellenállás diagram T3Ster Master: Pulse Rth Diagram CREE_MCE_AL_2_25_MY_F1_T25_I0350-0.50 CREE_MCE_AL_2_25_MY_F1_T25_I0350-0.25 CREE_MCE_AL_2_25_MY_F1_T25_I0350-0.10 CREE_MCE_AL_2_25_MY_F1_T25_I0350-0.05 10 2.5 2 1 1.5 0.1 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 Rth [K/W] 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: Struktúra függvény ideális a TIM karakterizációjára Tokozás koncentrált paraméteres dinamikus termikus modellje Impulzusüzemű hőellenállás diagram / helygörbe (frekvencia tartománybeli leírás) eet.bme.hu 2011. február 1. 7
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 2011. február 1. 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 2011. február 1. 9
10W-os fehér LED mérési eredményei Mérés 700 ma és 85 o C -on A három elrendezés hőellenállása, P opt teljesítménnyel is számolva FSF52 AL TG2500 R thjc real 2 K/W eet.bme.hu 2011. február 1. 10
10W-os fehér LED mérési eredményei Mérés 700 ma és 85 o C -on A három elrendezés hőellenállása, P opt teljesítménnyel is számolva TG2500 AL FSF52 R thjc real 2 K/W A JEDEC J15 bizottság által szabványosított új mérési elv (JESD51-14) szerint megállapított R thjc érték eet.bme.hu 2011. február 1. 11
10W-os fehér LED mérési eredményei Mérés 700 ma és 15..85 o C 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 2011. február 1. 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. In-situ termikus tranziens mérés In-situ fotometriai mérés eet.bme.hu 2011. február 1. 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 110% 105% 100% 95% 90% 85% (adatokat 3000 óráig közlünk itt) 4.Osram O gyártó LUWV5AM 350mA Relatív fényáram 0 200 400 600 800 1000 1200 Time [h] 41 42 43 44 45 46 aver. Fényteljesítmény csökkenést NEM feltétlenül a LED degradációja okozza, hanem a R th növekedése, ami a TIM degradációja miatt következett be ebben az esetben Nincs változás a LED tokon belül Struktúra függvény felvéve 0h, 500h, 1000h eet.bme.hu 2011. február 1. 14
T J [ C] C th [Ws/K] LM80 mérési eredmények: pontos dv F /dt adatok A termikus tranziens mérési eredmények, ha ismert a nyitófeszültség hőmérsékletérzékenysége T3Ster Master: Simított válasz függvény T3Ster Master: Kumulatív struktúra függvények 15.1 0.9 16 14 12 10 8 6 4 2 O gyártó, #44 minta, 0h O gyártó, #44 minta, 500h O gyártó, #44 minta, 2000h O gyártó, #44 minta, 3000h Valós dv F /dt értékekkel 0 1e-6 1e-5 1e-4 0.001 0.01 0.1 1 10 0.001 Problémák: dv F /dt érzékenység változik az időben Nem lehetséges a kalibráció t [s] 100 10 1 0.1 0.01 1e-4 1e-5 O gyártó, #44 minta, 0h O gyártó, #44 minta, 500h O gyártó, #44 minta, 2000h O gyártó, #44 minta, 3000h Valós dv F /dt értékekkel 0 2 4 6 8 10 12 LED tokozás: Kis változás az 500 óra után R th [K/W] TIM: +0.06 R thja eet.bme.hu 2011. február 1. 15
Érzékenység [mv/k] LM80 mérési eredmények: dv F /dt változás Az O gyártó mintáin megfigyelhető a nyitófeszültség hőmérséklet érzékenységének változása: O gyártó, 41-46 minta: dv F /dt érzékenység változása -2.4-2.3-2.2-2.1-2 -1.9-1.8-1.7-1.6 O_41 O_42 O_43 O_44 O_45 O_46 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 2011. február 1. 16
Cth [Ws/K] T J [ C] LM80 teszt eredmények: nem valós dv F /dt mellett Konstans érzékenység értéket (-2 mv/k) feltételezve (kalibrálatlan termikus mérés) a TIM öregedése nem látszik: 16 14 T3Ster Master: Simított válasz függvény O gyártó, #44 minta, 0h O gyártó, #44 minta, 500h O gyártó, #44 minta, 2000h O gyártó, #44 minta, 3000h 1000 100 10 T3Ster Master: Összegzett cumulative structure struktúra function(s) függvények 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 12 dv F /dt = -2mV/K 1 10 8 6 4 2 0 1e-6 1e-5 1e-4 0.001 0.01 0.1 1 10 t [s] 0.1 0.01 0.001 1e-4 1e-5 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 2011. február 1. 17
C th [Ws/K] Érzékenység [mv/k] Drasztikus öregedés egy ázsiai gyártónál Eredmények valós érzékenység értéket feltételezve -1.7-1.6-1.5-1.4-1.3-1.2-1.1-1 HK gyártó, 61-65 minták: dv F /dt érzékenység változás HK_61 HK_62 HK_63 HK_64 HK_65 T3Ster Master: összesített struktúra függvény(ek) 5.6 4.7 0.6-0.9 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 t [óra] 100 10 1 0.1 0.01 0.001 1e-4 HK gyártó, #61 minta, 0h HK gyártó, #61 minta, 500h HK gyártó, #61 minta, 2000h HK gyártó, #61 minta, 3000h Valós dv F /dt értékek 1e-5 0 2 4 6 8 R th [K/W] eet.bme.hu 2011. február 1. 18
Cth [Ws/K] T J [ C] Drasztikus öregedés egy ázsiai gyártónál Eredmények konstans érzékenységet (-2 mv/k) feltételezve: 6 5 4 T3Ster Master: Simított válasz függvény(ek) HK gyártó, #61 minta, 0h HK gyártó, #61 minta, 500h HK gyártó, #61 minta, 2000h HK gyártó, #61 minta, 3000h dv F /dt = -2mV/K A LED / MCPCB felület elválása, valamint a TIM öregedés is jól megfigyelhető már magán nyitófeszültség tranziens alapján is. 3 2 1 0 1e-6 1e-5 1e-4 0.001 0.01 0.1 1 10 A mérés 30 s alatt elvégezhető, továbbá elegendő a 0.1ms..1ms közötti időfelbontás is. t [s] Valós körülmények még szélsőségesebbek, mint az LM80-as kamra körülményei: vibráció páratartalom, hőmérsékleti ciklusok 1000 100 10 1 0.1 0.01 0.001 T3Ster T3Ster Master: összesített cumulative structure struktúra function(s) függvény(ek) HK_61_0h - Ch. 0 41_51_61_500h - Ch. 2 51-61-91-101_2000h - Ch. 1 51_61_71_3000h - Ch. 1 1e-4 0 1 2 3 4 5 6 Rth [K/W] eet.bme.hu 2011. február 1. 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 2011. február 1. 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 2011. február 1. 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 2011. február 1. 22