LEDs finden zunehmend Eingang in eine große Vielfalt von unterschiedlichen Anwendungen — innerhalb und außerhalb von Gebäuden zur Beleuchtung, in Anzeigen und Displays, in Signallampen und in Front- und Rückfahrscheinwerfern von Automobilen, zusätzlich in vielen Spezialanwendungen. Bei Ausfällen gestaltet sich eine Fehleranalyse zum Teil schwierig. In Betracht gezogen werden muss ferner die große Vielfalt der LED-Bauformen und damit der verschiedenen Technologien, Werkstoffe, Wärmeleitstoffe und Vergussmaterialien, die unterschiedlichste Vorgehensweisen in der Analyse erfordern.
Aufbau einer LED
Der grundsätzliche Aufbau einer LED umfasst
- den Halbleiter als Strahlungs- und Wärmequelle,
- die Optik, die hauptsächlich die Abstrahlcharakteristik bestimmt,
- die verschiedenen Verbindungstechniken, die den Chip elektrisch und thermisch mit dem Gehäuse verbinden,
- den Submount bzw. die Leiterplatte zur Entwärmung sowie
- das Gehäuse mit seiner Schutzfunktion.
Eine Besonderheit der LED im Gegensatz zu anderen elektronischen Bauteilen ist, dass sie leuchtet und damit ein Ausfall direkt unangenehm auffällig ist, obwohl die Funktion des Gesamtsystems noch nicht beeinträchtigt ist (Zahnlückeneffekt).
Informationen und Ursachenfindung
Grundsätzlich startet eine Fehleranalyse mit der systematischen Aufnahme der Fakten.
Wie ist die LED gelagert, verarbeitet und betrieben worden?
Welchen thermischen Stress hat die LED wie lange gesehen? Durch Eigen- oder Fremderwärmung?
Sind mehrere LEDs nebeneinander angeordnet, gibt es weitere Wärmequellen auf dem Board?
Wie war die Atmosphäre im Betrieb? Welche Feuchte oder Gase wirkten auf sie ein?
War sie UV-Strahlung oder Salzatmosphäre ausgesetzt?
Wurde sie bestimmtem, mechanischem Stress ausgesetzt?
Treten die Fehler verstärkt bei einer Farbe, einer Stromversorgung oder an einem Platz auf dem Board auf?
Gibt es „Hot-Spots“ auf dem Board?
Gibt es applikationsbedingte, kritische Punkte?
Bei den LEDs kommen zu den üblichen Fehlermechanismen vom Halbleiter noch die Fehler der Lichtemission und der Alterung der Vergussmaterialien hinzu, wobei die Wärmeableitung ein Schlüsselparameter ist, besonders natürlich bei Leistungs-LEDs.
Fehleranalyseablauf und Methoden
Unabhängig von den Antworten dieser Fragen werden so viel wie möglich nicht zerstörende Analysen vor den zerstörenden Methoden durchgeführt. Jede Untersuchung führt zu Erkenntnissen, die den geplanten Analyseablauf beeinflussen bzw. ändern können.
- Start der Analyse: Dokumentation mit Fotos, Datenblättern etc.
- Visuelle Inspektion: Lichtoptische Prüfung auf Defekte am Gehäuse, Röntgen.
- Charakterisierung bzw. Prüfung: Dazu gehören optische, elektrische und thermische Tests, wie z. B. die Kennlinienmessung, Lichtemissionsmessung, Farbverhalten, Wärmewiderstand, Datenblattkonformität, Röntgenbilder oder die Beurteilung der Bondanbindungen.
- Öffnen des Gehäuses zur Fehlerortung auf der Kristalloberfläche nach Durchführung aller möglichen, nicht zerstörenden Prüfungen, die zur Fehlerursachenermittlung zielführend sind.
Die Chipalterung stellt sich häufig als nur noch partiell emittierte Fläche dar. Die Ursache können eine falsch gewählte Gehäuseform für die Applikationsumweltbedingungen sein (Korrosion) oder aber auch Fehler beim Herstellungsprozess der LED.
Zur Fehlerlokalisierung bieten sich noch folgende physikalische Analysemethoden an:
- Fokus-Ion-Beam (FIB) und Rasterelektronenmikroskopie für hohe Auflösungen,
- Obirch und Emissionsmikroskopie, wobei ein Kristallfehler ein optisches oder infrarotes Signal sendet, das mit Spezialkameras aufgenommen und dem Kristalllayout überlagert wird (Fehlerstellenortung),
- EBIC sowie
- Kathodolumineszenz.
Mögliche Fehlerursachen
Im Fertigungsprozess der LED treten Fehler in verschiedenen Prozessstufen auf, wie z. B. bei der Epitaxie, dem Trennen der Chips, der Verbindungstechnik, den Gehäusematerialien oder aufgrund von ESD und ESDFOS (ESD-gefährdete Oberflächen, wie z. B. beim Pick-&-Place).
Bei der Verarbeitung der LED auf Leiterplatten verursachen ungeeignete Lötprofile, ESD, mechanische Beschädigungen Fehler.
Im Betrieb der LED sorgen ungeeignete Stromversorgungen (Spitzen und Überlast), ungenügende Entwärmung oder LED-Parameter, die für den Einsatz nicht geeignet
Uwe Thiemann
(hb)
