Bild 1: Thermische Eigenschaften wirken auf alle Betriebscharakteristiken der Leistungsleuchtdioden.

Bild 1: Thermische Eigenschaften wirken auf alle Betriebscharakteristiken der Leistungsleuchtdioden.Mentor Graphics

Der Wärmewiderstand (Rth) und somit die Sperrschichttemperatur (TJ) von LEDs beeinflussen die Lebensdauer, die Effizienz und den Betrieb in unterschiedlichen Bereichen sowie die elektrische, thermische und optische Leistungsfähigkeit eines LED-Produkts (Bild 1). Typische Power-LED-Gehäuse und -Baugruppen haben daher große Kühllaschen, um die Wärme abzuführen. Diese Konfiguration ergibt einen eindimensionalen Wärmeflusspfad, der von der Sperrschicht zu dieser Kühlfläche führt und dabei verschiedene thermische Schnittstellen wie den Die-Attach durchquert. Die Junction-to-Case-Wärmewiderstands-Kennzahl (RthJC oder ΘJC) charakterisiert die Güte eines Leistungshalbleitergehäuses. Diese Metrik sollte einen fairen Vergleich zwischen verschiedenen Produkten ermöglichen und das thermische Design auf Systemebene unterstützen. Den Wärmewiderstand können Hersteller und Anwender klassisch durch einfache Mittel messen oder von Transientenmessungen ableiten, die die thermische Impedanz eines LED-Gehäuses ergeben.

Thermische Impedanz

Die thermische Impedanz ist die beste Charakteristik, um dynamische Eigenschaften zu messen. Ihre übliche Darstellung ist die Sperrschicht-Temperatur-Transiente, das Zth(t)-Diagramm, die an der Sperrschicht als Reaktion auf einen Leistungssprung wie eine Einheits-Sprungfunktion entsteht. Die thermische Impedanz beinhaltet alle Informationen über den Wärmeflusspfad, zum Beispiel die Verteilung von Wärmewiderstand und Wärmekapazität entlang des Pfades. Der Pfad beginnt an der Sperrschicht und geht über alle Materialbereiche bis zum Kühlkörper.

Auf einen Blick

Wie viel Kühlung braucht eine LED? Um das berechnen zu können, brauchen Entwickler die thermischen Eckwerte. Für diese Charakterisierung stehen etliche Standards zur Verfügung. Der Beitrag gibt einen Überblick über die Normierungsbemühungen und erklärt die Hintergründe.

Aus den Zth(t)-Kurven lassen sich Strukturfunktionen ableiten, die eine strukturelle Analyse ermöglichen, zum Beispiel die Erfassung von Die-Attach, Delaminierung oder die Degradation von anderen thermischen Schnittstellen. Weitere Darstellungen der thermischen Impedanz wie gepulste Wärmewiderstandsdiagramme eignen sich beispielsweise, um den Betrieb der Bauelemente für PWM-gedimmte DC-LEDs zu charakterisieren. Die effektive thermische AC-Impedanz kann aber auch als Kennzahl für direkt AC-angetriebene LEDs dienen.

Die thermische Impedanz ist also eine einzelne Charakteristik eines Gehäuses, die sich in verschiedenen Formen darstellen lässt, eta als konventionelle Zth(t)-Diagramme, Strukturfunktionen, dynamische (transiente) thermische Kompakt-Netzwerkmodelle, komplexe Ortskurven im Frequenzbereich oder gepulste thermische Widerstandsdiagramme.

Wärmewiderstand

Der Wärmewiderstand leitet sich von der thermischen Impedanz ab; beide benötigen die gleiche physikalische Messzeit. Der Junction-to-Case-Wärmewiderstand ist jedoch die am besten geeignete Metrik für LEDs im Gehäuse, da sie den Wärmeflusspfad vom Entstehungsort der Wärme am PN-Übergang bis hinunter zum Gehäuseboden charakterisiert.

Standardisierte Methoden für diese Art thermischer Charakterisierung sind für die Hersteller wichtig: Exakte Daten ermöglichen einen fairen Vergleich der Angaben von den Wettbewerbern. Auch die Kunden müssen wissen, ob sich die Temperaturen innerhalb der von den Herstellern gelieferten Spezifikationen befinden. Licht-Designer müssen die Sperrschichttemperatur kennen, die vom echten Wärmewiderstand eines LED-Gehäuses berechnet wurde, um bei Betriebsumgebungstemperatur den spezifizierten Lichtstrom zur Verfügung zu stellen.

Standardisierungsaktivitäten

Für die SSL-Industrie (Solid State Lighting) gibt es verschiedene Arten von Standards. Derzeit wird an den Produktspezifikationen gearbeitet, zum Beispiel arbeitet das Zhaga-Konsortium an den Spezifikationen der so genannten Light-Engines. Es gibt Standards für Performance-Tests (wie LM-80) sowie eine Nomenklatur und grundlegende Definitionen für SSL-Produkte.

Das Zhaga-Konsortium entwickelt Standards, die die elektrischen, mechanischen, thermischen und optischen Schnittstellen für SSL-Light-Engines in verschiedenen Anwendungsbereichen definieren. Eine LED-Light-Engine ist die Kombination eines LED-Moduls und der zugehörigen Vorschaltgeräte. Zhaga behandelt diese Engines als Black-Box mit definierten Schnittstellen, die nicht von der internen Funktionsweise abhängen.

Bild 2: Lebensdauer (mittels relativen Lichtstroms) je nach Sperrschichttemperatur. Das ist ein schönes Beispiel, um die Ergebnisse von Leistungsfähigkeits-Standards, die eng mit der Sperrschichttemperatur von LEDs verbunden sind, darzustellen.

Bild 2: Lebensdauer (mittels relativen Lichtstroms) je nach Sperrschichttemperatur. Das ist ein schönes Beispiel, um die Ergebnisse von Leistungsfähigkeits-Standards, die eng mit der Sperrschichttemperatur von LEDs verbunden sind, darzustellen.Philips Lumileds

Zu den Leistungsfähigkeits-Standards für SSL-Produkte gehören die Normen der IEC (International Electrotechnical Commission) und der IESNA (Illuminating Engineering Society of North America). Ein Beispiel: Um ein Lebensdauerdiagramm wie in Bild 2 zu erstellen, werden die Eingangsdaten entsprechend dem IES-LM-80-Standard gemessen. Mit welcher Methode man daraus die Lebensdauer vorhersagt, definiert die IES-TM-21-Norm.

Fülle von Normungsgremien

Andere Normungsgremien leisten ebenfalls wichtige Beiträge für High-Power/High-Brightness-LEDs. Die Internationale Beleuchtungskommission (CIE) beschäftigt sich zum Beispiel mit neuen Standards für die physikalische Messung von Licht. Diese werden durch die technischen Komitees (Technical Committee, TC) des CIE entwickelt. Zwei TCs sind besonders wichtig, weil sie in den vorgesehenen Standards die thermischen Aspekte bei optischen Messungen von LEDs berücksichtigen wollen: Das TC2-63-Komitee befasst sich mit der optischen Charakterisierung von High-Brightness-LEDs und TC2-64 deckt optische Hochgeschwindigkeitstests von High-Power/High-Brightness-LEDs ab. Im Juli 2011 wurde ein weiteres technisches Komitee gebildet: TC2-76 beschäftigt sich mit Fragen zum Testen von AC-angetriebenen LEDs.

Auch das JEDEC-Komitee JC15 (Joint Electron Devices Engineering Council) für thermische Charakterisierung von Halbleiterbauelementen hat kürzlich eine Reihe von Dokumenten veröffentlicht. Zum Beispiel neue Richtlinien für die Anwendung von bestehenden Testmethoden. Dazu gehört, wie so genannte elektrische Testmethoden (ursprünglich in JESD51-1 definiert) zur Messung des realen Wärmewiderstands und der Sperrschichttemperatur von Power-LEDs angewendet werden oder wie Gesamtfluss-Messmethoden gemäß CIE 127:2007 in Verbindung mit thermischen Messungen von LED-Gehäusen zum Einsatz kommen.

Entwicklungsprozess für Teststandards

Standards sollten sicherstellen, dass das Ergebnis allgemein verstanden wird. Standards sind öffentlich zugänglich, die definierten Messverfahren sind reproduzierbar und können von anderen verwirklicht werden. Sie sind kompatibel mit dem was andere machen und wenn die meisten Anbieter und Hersteller die gleichen Teststandards verwenden, lassen sich die Ergebnisse vergleichen.

Mess-Standards dienen dazu, Definitionen von Begriffen, Mengen und Metriken zu liefern. Sie definieren Messmethoden und Verfahren, Testumgebungen und die Datendarstellung. Standardmäßige thermische Tests liefern Resultate nicht für reale Anwendungen der gemessenen Bauteile, sondern spiegeln die Charakteristiken der gemessenen Komponente unter Testbedingungen wider. Bei der Erstellung von Standards müssen die realen Bedingungen vereinfacht werden, da sonst die Ziele (gemeinsames Verständnis und Reproduzierbarkeit) nicht garantiert werden können.

Vereinfacht und reproduzierbar

Bild 3: Betrieb von Transistoren unter realen Bindungen.

Bild 3: Betrieb von Transistoren unter realen Bindungen.Mentor Graphics

Obwohl die realen Bedingungen für standardisierte Messungen vereinfacht werden müssen, definieren gute Normen Charakteristiken, die die realen Umstände gut beschreiben. Abweichungen von den realen Bedingungen müssen auf der „sicheren Seite“ sein. Zum Beispiel sind die Gehäuse von Leistungshalbleitern in einer realen Anwendungsumgebung (Bild 3) mit einem luftgekühlten Kühlkörper verbunden. Dies ist eine wesentlich komplexere Umgebung als unter Standardtestbedingungen (Bild 4), bei denen sie mit einer flüssigkeitsgekühlten Kühlplatte verbunden sind.

Bild 4: Um reproduzierbar zu sein, laufen Tests typischerweise unter Laborbedingungen.

Bild 4: Um reproduzierbar zu sein, laufen Tests typischerweise unter Laborbedingungen.Mentor Graphics

Die klassischen JEDEC-Standards sind in der JESD51-Dokumentenreihe enthalten. Sie liefert Begriffe, Definitionen, grundlegende thermische Messverfahren von Hableitern (elektrische Testmethode: statisch/dynamisch), Testumgebungen (natürliche Konvektion, Zwangskonvektion) und Testplatinen sowie Richtlinien zur Datendarstellung. Das JEDEC-JC15-Komitee setzt nun auf höhere Abstraktion. Die JESD15-Reihe bietet Standards für thermische Kompaktmodelle von Halbleitergehäusen, einen Überblick über Kompaktmodelle sowie 2R- und DELPHI-Modelle. Die Arbeiten an einem standardmäßigen, herstellerunabhängigen Dateiformat für Modellbibliotheken sind im Gange.

Der JEDEC-Standard JESD51-14 ist der erste Teststandard für thermische Transienten und ein neuer Standard zur Messung des Junction-to-Case-Wärmewiderstands, der eine Kühlplatte als Testumgebung definiert. Zudem definiert er ein Messverfahren für thermische Transienten und eine Identifikationsmethode (basiert auf Strukturfunktionen), mit welcher der Junction-to-Case-Wärmewiderstandswert aus den gemessenen Transienten zu erhalten ist.

Neue Teststandards

Im November 2010 wurde der JESD51-14-Standard für RthJC-Messungen mit der so genannten „Dual Thermal Interface Method“ publiziert. Der Standard spezifiziert Messungen doppelt: mit und ohne zusätzlicher Materialschicht und definiert wie der Ort der Abweichung der gemessene Kurven, welche den RthJC-Wert ergibt, exakt zu identifizieren ist. Diese Norm ist auf Leistungshalbleitergehäuse mit einer exponierten Kühlfläche und einem einzelnen Wärmflusspfad anwendbar. Diese Bedingungen gelten auch für Power-LEDs.

Gemäß JESD51-14 basiert die Messung des Junction-to-Case-Wärmewiderstands auf den neuesten Transienten-Messtechniken. Der Junction-to-Case-Wärmewiderstandswert wird zwar seit Jahrzehnten als eine Kennzahl verwendet, die Messverfahren nach älteren Standards sind aber nicht genau genug und erlauben keinen ausreichend hohen Grad an Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. Deshalb musste diese neue Norm entwickelt werden.

LED-Testrichtlinie

Für das Testen von LEDs wurden kürzlich die thermischen LED-Testrichtlinien JESD51-50, 51, 52 und 53 anerkannt und veröffentlicht. Diese bieten Spezifikationen zum Messen des emittierten Lichts sowie zur Berücksichtigung der tatsächlichen Erwärmung und Messung auf einer Kühlplatte, um einen thermischen Dauerzustand zur Lichtmessung zu gewährleisten und die Reproduzierbarkeit der Tests sicherzustellen. In Verbindung mit einer JESD51-14-konformen RthJC-Messung erlauben diese neuen Standards eine auf Tests basierte Herstellung der thermischen Kompaktmodelle von Power-LED-Gehäusen. Die wichtigsten Anforderungen lauten:

Bild 5: Eine umfassende LED-Testlösung gemäß des neuen JESD51-51- und JESD51-52-LED-Teststandards als schematische Darstellung.

Bild 5: Eine umfassende LED-Testlösung gemäß des neuen JESD51-51- und JESD51-52-LED-Teststandards als schematische Darstellung.Mentor Graphics

  • Um den echten, mit der elektrischen Testmethode gemessenen Wärmewiderstand einer LED ableiten zu können, muss bei der Berechnung der Wärmeleistung die emittierte optische Leistung von der zugeführten elektrischen Leistung abgezogen werden. Die optische Leistung ist auch als Strahlungsleistung oder Strahlungsfluss bekannt und wird gemäß CIE 127:2007 für die Gesamtflussmessung für LEDs identifiziert.
  • Da unter realen Betriebsbedingungen Power-LED-Gehäuse über einen Kühlkörper gekühlt werden, sollen während der Messungen die zu charakterisierenden Power-LEDs auf einer Kühlplatte montiert sein, deren Temperatur auf einen gewissenen Wert eingestellt ist.
  • Zur thermischen Charakterisierung sollen die Kühltransienten von LEDs dienen (wie durch den oben beschriebenen JESD51-14-Standard empfohlen).
  • Um die Konsistenz zwischen den thermischen Messungen und der CIE-127:2007-konformen Gesamtflussmessungen zu gewährleisten, muss die thermische Testumgebung bei den thermischen und optischen Messungen von LEDs identisch sein. Die beiden Messungen werden idealerweise, wie Bild 5 zeigt, im selben Testaufbau durchgeführt.
  • Der reale Wärmewiderstand von LEDs muss im Messprotokoll angegeben werden. Zudem wird empfohlen, die echte Sperrschichttemperatur von der bekannten Referenztemperatur (Temperatur der Kühlplatte), von der echten Wärmeleistung und vom gemessenen echten Wärmewiderstand zurückzurechnen. Ebenso wird geraten, die gemessenen thermischen und optischen Eigenschaften (zum Beispiel Lichtstrom, Strahlungsleistung, Lichtausbeute, korrelierte Farbtemperatur) zusammen mit diesen Temperaturen verfügbar zu stellen.
Bild 6: Praktische Umsetzung des Testaufbaus aus Bild 5 mit Testprodukten T3Ster und TERALED von Mentor Graphics.

Bild 6: Praktische Umsetzung des Testaufbaus aus Bild 5 mit Testprodukten T3Ster und TERALED von Mentor Graphics.Mentor Graphics

Implementierung der neuen Teststandards

Bild 5 zeigt die schematische Darstellung einer möglichen Verwirklichung eines kombinierten thermischen und radiometrischen/photometrischen Testaufbaus, der den neuen JESD51-51- und JESD51-52-Standards entspricht. Das Equipment-Foto in Bild 6 zeigt die mögliche Realisierung eines umfassenden LED-Testaufbaus mit den Produkten T3Ster und Tera-LED von Mentor Graphics.