Drei Punkte sind für die Wärmeabführung von der LED-Sperrschicht zu den Kühlkörpern entscheidend.

Drei Punkte sind für die Wärmeabführung von der LED-Sperrschicht zu den Kühlkörpern entscheidend.Cree

Die Zuverlässigkeit der Lötstelle zwischen LED-Package und Leiterplatte definiert sich als die Wahrscheinlichkeit, dass die Lötstelle unter den vorgegebenen Betriebsbedingungen in einem bestimmten Zeitintervall ihre Funktion erfüllt. Wie hoch dieser Wert ausfällt, hängt von mehreren Faktoren ab, etwa der Fähigkeit des geschmolzenen Lötmaterials, sich gleichmäßig auf der Oberfläche zu verteilen. Das Fließverhalten des Lötmaterials, die chemischen Eigenschaften der Grenzflächen sowie die metallurgische Beschaffenheit des Lötpunkts bestimmt die Reflow-Temperatur.

Einflussfaktoren

Im Rahmen des Thermoschock-Tests fand die Überprüfung der Lötstellen von sieben LED-Packages statt.

Im Rahmen des Thermoschock-Tests fand die Überprüfung der Lötstellen von sieben LED-Packages statt.Cree

Welche Faktoren die Zuverlässigkeit der Lötpunkte von LED-Gehäusen beeinflussen, hat Cree bei sieben Packages seiner High-Power-Leuchtdioden der X-Lamp-Reihe ermittelt. Zu diesem Zweck haben die Prüfer die Gehäuse auf einem MCPCB (Metal Core Printed Circuit Board) mit einem Layer montiert und einem Thermoschock-Test unterzogen. Das Testobjekt wird dabei zwischen zwei Klimakammern hin und her bewegt. Eine Kammer weist eine Temperatur von +125 °C auf, die zweite eine von -40 °C. Die Verweildauer in einer Klimakammer betrug bei dem Test 15 Minuten, die Transferzeit weniger als 20 Sekunden.

Das Test-Board mit einem X-Lamp-XB-D-Gehäuse.

Das Test-Board mit einem X-Lamp-XB-D-Gehäuse.Cree

Mithilfe von Thermoschocktests lässt sich mit einem begrenzten zeitlichen Aufwand abschätzen, welche Fehlermechanismen während des Lebenszykluses eines LED-Beleuchtungssystems wirken und welche potenziellen Fehlerursachen auftreten können.

Metal-Core-PCB mit zehn LEDs

Zum Aufbau des Test-Boards: Es ist für maximal zehn LEDs ausgelegt. Bei der Untersuchung kamen 20 oder 30 Leuchtdioden jedes Typs auf zwei beziehungsweise drei PCBs zum Einsatz. Die Leiterplatte bestand aus einer Lötmaske, einer Kupferlage, einer dünnen dielektrischen Schicht und der Kernschicht. Diese Ebenen wurden laminiert und zusammengefügt. So entstand ein Pfad, über den die Wärmeableitung stattfand.

Das Reflow-Lötprofil im Rahmen der Studie: Die Temperaturangaben beziehen sich auf die Oberseite des LED-Gehäuses.

Das Reflow-Lötprofil im Rahmen der Studie: Die Temperaturangaben beziehen sich auf die Oberseite des LED-Gehäuses.Cree

Cree setzte zum Löten Indium 8.9 ein, eine Air-Reflow No-Clean-Lötpaste, die für die hohen Temperaturen von bleifreien Zinn-Silber-Kupfer-Legierungen ausgelegt ist. Das Lot enthält 96,5 % Zinn (SN), 3,0 % Silber (Ag) und 0,5 % Kupfer. Der Metallgehalt entspricht Typ 3 und liegt – bezogen auf das Gewicht – bei 88,75 %. Beim Lötpastendruck setzten die Ingenieure Schablonen mit 6 mil (ein tausendstel Zoll, es entspricht 25,4 µm) und einen Rahmen von 73,7 x 73,7 cm ein.

Physikalische Eigenschaften

Zu berücksichtigen ist, dass bleifreie Lote andere physikalische und metallurgische Eigenschaften aufweisen als bleihaltige. Dies betrifft den Schmelzpunkt, die Oberflächenspannung, die Vorheiz- und Spitzentemperaturen, die Haltezeit und die Benetzungseigenschaften des Lots. Die Qualität einer Lötstelle hängt somit von drei Faktoren ab:

Eine Röntgenaufnahme einer XM-L-LED auf einem PCB. Der Anteil der Hohlräume beträgt mehr als 50 Prozent.

Eine Röntgenaufnahme einer XM-L-LED auf einem PCB. Der Anteil der Hohlräume beträgt mehr als 50 Prozent.Cree

  • Dauer und Temperaturprofil des Reflow-Lötens
  • Fähigkeit des Lots, sich schnell und gleichmäßig auf der Oberfläche zu verteilen
  • Bildung einer konsistenten, intermetallischen Schicht auf der Oberflächenstruktur

Cree empfiehlt, dass die Lötpunkte nach dem Reflow-Löten eine Dicke von 3 mil (75 µm) aufweisen. Nach dem Lötvorgang untersuchte man bei dem Test die Lötpunkte visuell auf Defekte, etwa kugelförmige Einschlüsse (Bumps), kalte Lötstellen, Lötbrücken oder Tombstones. Zudem wurden sie mithilfe einer Röntgenstrahlanalyse überprüft, um Voids (lotfreie Hohlräume oder Lunker) zwischen LED-Gehäuse und PCB zu finden.

Übersicht über die Zahl der Fehler nach der angegebenen Zahl von Wechseln zwischen der kalten und heißen Testkammer.

Übersicht über die Zahl der Fehler nach der angegebenen Zahl von Wechseln zwischen der kalten und heißen Testkammer.Cree

Testprofil

Der Thermoschocktest basierte auf der Norm MIL-STD-202G 107G. Sie gibt vor, dass jeder Lötpunkt mindestens 1000 Temperaturwechseln ausgesetzt ist. Die Anstiegsrate betrug rund 1,1 °C/s. Nach jeweils 100 Zyklen fand eine Überprüfung der LEDs statt. Die Ingenieure ermittelten optische Parameter wie den Lichtstrom, die Chromatizität und die Farbverschiebung. Zudem erfasste Cree elektrische Kennwerte wie die Vorwärtsspannung, den Strom und Leckströme. Als Fehlerkriterium hatte man den Testzeitpunkt definiert, ab dem eine LED nicht mehr aufleuchtete.

Beim Thermoschock-Verfahren gelten 200 Zyklen als akzeptable Größe, um valide Aussagen über die langfristige Zuverlässigkeit der Lötpunkte bei LED-Beleuchtungssystemen zu treffen. Im Rahmen dieser Prüfläufe hat Cree alle LEDs, außer der X-Lamp-MT-G, 1000 Testzyklen ausgesetzt. Bei den LEDs der Reihe MT-G endeten die Tests aufgrund der Zahl der Fehler bereits vor Erreichen der Grenze von 1000 Zyklen.

Ein wesentliches Ergebnis der Thermoschocktests ist, dass die Resultate eine lineare Korrelation zwischen der Größe des LED-Gehäuses und der Zahl der Prüfzyklen bis zum Auftreten der ersten Fehlfunktion aufweisen.

Die Weibull-Verteilung zeigt die Ausfallwahrscheinlichkeit der X-Lamp XM-L-HVW.

Die Weibull-Verteilung zeigt die Ausfallwahrscheinlichkeit der X-Lamp XM-L-HVW.Cree

Interpretation via Weibull-Analyse

Im Rahmen der Thermoschock-Testreihe analysierte Cree die Daten mithilfe der Weibull-Verteilung. Ein Weibull-Wahrscheinlichkeitsnetz diente dazu, die Fehlerrate der LED-Gehäuse zu modellieren. Die Weibull-Verteilung mit zwei Parametern berücksichtigt die Form- und die Skalierungsparameter. Eine kumulierte Weibull-Fehlerverteilung diente dazu, um die Testzyklen mit den Fehlerdaten in Einklang zu bringen. Dabei gilt folgende Gleichung:

  • F (N) = 1 – ex (N/N0)m

F (N) entspricht der kumulierten Fehlerverteilung; N ist die Zahl der Temperaturwechsel, denen die LED-Gehäuse ausgesetzt wurden. N0 ist ein Skalierungsparameter, der sich auf die Lebensdauer bezieht. Er gibt die Zahl der Testzyklen an, bei denen die Fehlerhäufigkeit 63,2 % beträgt. Der Formparameter m repräsentiert den Verlauf der Weibull-Kurve. Je höher m ist, desto niedriger fällt die Streuung der Zyklen bis zum Ausfall der LEDs aus. Ein Formparameterwert zwischen zwei und vier gilt als normal. Ein Wert unter zwei beschreibt eine nach rechts ausgelegte Kurve, ein Wert über zwei eine nach links orientierte.

Das Weibull-Wahrscheinlichkeitsnetz zeigt, dass Lötverbindungen bei kleinen LED-Gehäusen mit einem Voiding-Anteil von weniger als 30 % eine höhere Performance aufweisen als solche mit großen Packages. Die Qualität der Lötpunkte sank zudem, wenn das Voiding 50 % überschritt. Die Untersuchungen ergaben, dass die Zahl der Hohlräume maßgeblich die Lebensdauer der Lötverbindungen beeinflusst: Je weniger Voids vorhanden sind, desto höher die Lebensdauer.

Das Profil des Thermoschock-Tests mit X-Lamp-LEDs. Dabei kamen unterschiedlich große Gehäuse und Substrate zum Einsatz.

Das Profil des Thermoschock-Tests mit X-Lamp-LEDs. Dabei kamen unterschiedlich große Gehäuse und Substrate zum Einsatz.Cree

Fehler durch Thermoschock

Das Temperaturmanagement zählt zu den wichtigen Faktoren, welche die Zuverlässigkeit von High-Power-LED-Gehäusen beeinflusst. Die meisten Ausfälle elektronischer Komponenten sind auf thermomechanische Faktoren zurückzuführen. Dazu zählen beispielsweise temperaturbedingte Belastungen und Verformungen sowie beschleunigte Transportvorgänge bei höheren Temperaturen.

Beim Thermoschockverfahren führen die gravierenden Temperaturwechsel dazu, dass die Güte der Lötpunkte sukzessive sinkt. Das äußert sich in einer Zunahme der intermetallischen Verbindungen (Intermetallic Compound) und der Schäden durch Thermoermüdung. Fehlfunktionen aufgrund thermischer Ermüdung treten vor allem bei bleifreiem Loten auf. Der Grund sind die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE, Coefficient of Thermal Expansion) der eingesetzten Materialien. Sie führen zu mechanischen Belastungen an den Stellen, an denen die Materialen miteinander verbunden sind. Als Folge entstehen dort Risse.

Cree untersuchte die Schnittstellen zwischen den Materialien mithilfe eines Elektronen- und eines optischen Mikroskops sowie mittels energiedispersiver Röntgenstrahlungsanalyse (EDX).

Eine X-Lamp-XB-D nach dem Test: Das Lötmaterial weist Risse auf, die in horizontaler Richtung verlaufen.

Eine X-Lamp-XB-D nach dem Test: Das Lötmaterial weist Risse auf, die in horizontaler Richtung verlaufen.Cree

Überprüfung der Qualität der Lötstellen

Um den Zustand der Lötstellen nach dem Thermoschocktest zu ermitteln, führten die Ingenieure eine Querschnittsanalyse durch. Bei allen LED-Packages traten Ermüdungsrisse auf – und zwar ausgehend vom Rand der Lötstelle. Dies ist der Bereich, an dem die höchsten mechanischen Belastungen auftreten. Die meisten Risse waren zwischen den Zinn- und Silber-Körnern des Lötmaterials zu beobachten. Sie verliefen durch das gesamte Lötmetall hindurch in Richtung der Bereiche mit den höchsten Belastungswerten. Risse, die sich quer durch das Lötmaterial ziehen, wirken sich negativ auf die elektrischen Eigenschaften aus. Sie können zudem die mechanische Verbindung zwischen den Komponenten einer LED-Leuchte beeinträchtigen.

Bei einer X-Lamp-XM-L-HVW mit einem größeren Package als dem der XB-D, ist nach dem Test eine deutlich massivere Rissbildung zu erkennen.

Bei einer X-Lamp-XM-L-HVW mit einem größeren Package als dem der XB-D, ist nach dem Test eine deutlich massivere Rissbildung zu erkennen.Cree

Bei dem Test fielen die Resultate für die LEDs der Serien X-Lamp-XB-D und XM-L-HVW unterschiedlich aus. Bei beiden betrug der Anteil der Hohlräume weniger als 30 %. Dennoch wies das Package der X-Lamp-XB-D, der kleinsten LED im Test, weniger Risse auf als das Gehäuse der X-Lamp-XM-L-HVW. Diese LED verfügt über ein vier Mal so großes Substrat wie die XB-D. Alle beobachteten Risse trugen Merkmale, die für temperaturbedingte Stressreaktionen typisch sind, die beim Verbinden von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auftreten.

Schlussfolgerungen

Die Größe des LED-Gehäuses hat maßgeblichen Einfluss auf die Ausbildung von Rissen an Lötstellen. Es können sich  unterschiedliche Silber-Zinn- und Kupfer-Zinn-Metallisierungsschichten herausbilden. Diese sind jedoch spröde und daher eine potenzielle Gefahr für die Funktionsweise der Lötverbindungen. Fehlfunktionen, die durch thermische Ermüdung bedingt sind, treten speziell bei bleifreien Lötmaterialien auf. Auslöser sind die unterschiedlichen CTE-Werte der Materialien. Dies führt zur Bildung von Rissen an den Lötpunkten.

Ein weiterer Faktor ist die Zahl der Hohlräume, Poren und Blasen im Lot an der Verbindungsstelle: Je größer das Substrat und je mehr Hohlräume vorhanden sind, desto schlechter die Qualität der Lötstellen.

Bei der Interpretation der Testergebnisse ist allerdings folgender Punkt zu beachten: Die JEDEC-Spezifikation JESD22-A104D lässt einen direkten Vergleich der Resultate in Bezug auf Produktvarianten, Prozesse und Materialien zu. Nicht zulässig ist es jedoch, die Ergebnisse auf reale Einsatzszenarien zu übertragen. Der Grund: In der Praxis fallen Temperaturschwankungen sowie Aufheiz- und Kühlzeiten deutlich gemäßigter aus als bei Thermoschocktests.

Auf einen Blick

Mit Thermoschocktests lässt sich abschätzen, welche Fehlermechanismen bei LED-Beleuchtungssystemen auftreten und wo die potenziellen Ursachen zu suchen sind. Eines der Testergebnisse verdeutlicht, dass die Größe des LED-Gehäuses maßgeblichen Einfluss auf die Ausbildung von Rissen an den Lötstellen hat.