3.4 Meccanismi di degrado dei LED
3.4.4 Degrado indotto da EOS
Lo stress termico comporta tipicamente un deterioramento progressivo delle caratteri-stiche elettro-ottiche del dispositivo, che, eventualmente, giunge alla failure definitiva soltanto nel lungo periodo. Al contrario, una classe di fenomeni di stress potenzialmen-te in grado di porre fine alla vita utile del LED in un singolo evento è rappresentata dagli electrical over-stress. Con tale termine si identificano tutte quelle condizioni di polarizzazione nelle quali, per un intervallo di tempo più o meno prolungato, vengono ecceduti i valori massimi di tensione e/o corrente sopportabili da un determinato di-spositivo elettronico.
Tra gli EOS, la categoria più studiata in assoluto è sicuramente quella degli ESD (Electro-Static Discharge). Tali eventi di scarica elettro-statica comportano per i LED il maggior rischio di rottura nelle fasi di produzione, imballaggio e in generale di ma-neggio da parte di un operatore o di una macchina. L’ampia letteratura a disposizione [57], propone tipicamente studi di degrado e di rottura (rispettivamente soft e hard failure) indotti tramite ripetuti impulsi di tensione “ESD-like” applicati in inversa: è in tale stato di polarizzazione, infatti, che i LED sono più sensibili agli eventi di scarica elettrostatica. Diversi modelli possono essere efficientemente sfruttati per va-lutare la robustezza dei LED agli ESD: i più importanti includono lo Human Body Model (HBM), il Machine Model (MM), il Charged Device Model (CDM) ed il metodo Transmission Line Pulse (TLP). L’effetto di un ESD applicato in inversa è quello di
dissipazione di un’elevata quantità di energia nelle zone ad alto grado di difettosità re-sponsabili della conduzione in tale stato di polarizzazione. Poiché i difetti in questione hanno dimensioni nanometriche, la densità di corrente che li attraversa è molto eleva-ta: raggiunto un livello critico, essa provoca un corto localizzato nel dispositivo che lo rende inutilizzabile. La robustezza agli ESD è direttamente correlata alla quantità e ti-pologia di difetti presenti nel materiale semiconduttore: eterostrutture in GaN/InGaN cresciute su substrati a basso mismatch reticolare come il SiC si sono dimostrate meno sensibili a tali fenomeni di over-stress, ma dato l’elevato costo di tale implementazioni i produttori di dispositivi tendono a optare per l’inserimento di un diodo di protezione in antiparallelo rispetto al LED.
A dispetto degli ESD, con forma d’onda ben definita, di breve durata (ns) e ca-ratterizzati da alti livelli di tensione (fino a qualche kV) e basse correnti, la grande maggioranza degli over-stress elettrici include eventi in cui il dispositivo è soggetto ad aumenti singoli, ripetuti o continui della corrente di polarizzazione. In tale ambito le principali cause di guasto e degrado sono:
• in-rush current, ovvero l’extra corrente che scorre nel dispositivo quando questo viene acceso: se la connessione con il driver viene effettuata con alimentazione attiva, in particolare, si parla di fenomeni di hot-plugging;
• pulsed over-current e overdrive DC del dispositivo;
• polarizzazione in inversa del dispositivo, tipicamente dovuta all’inversione dei terminali di alimentazione.
Ad eccezione dei numerosi studi sull’effetto dello stress dei LED in polarizzazione in-versa e di alcuni paper che analizzano il fenomeno dell’hot-plugging [58], la letteratura che tratta di queste tipologie di EOS è molto ridotta, composta per lo più da appli-cation notes dei produttori di LED che affrontano il problema aggirandolo: di fatto, o vengono proposte soluzioni circuitali (TVS, PTC, NTC ecc. . . ) atte a ridurre l’impatto dell’eventuale EOS, o viene direttamente suggerito ai produttori dei driver di potenza l’inserimento di ulteriori protezioni (come ad esempio il soft start, mirato a limita-re la corlimita-rente in uscita dall’alimentatolimita-re quando quest’ultimo, con carico connesso, viene acceso). In questo senso lo studio di soluzioni integrate atte all’irrobustimen-to dei dispositivi è ancora ai primi stadi, pur profilandosi necessario per l’aumenall’irrobustimen-to dell’affidabilità dei dispositivi di futura generazione.
Capitolo 4
Strumenti, metodi e campioni in esame
Lo scopo di questa tesi è quello di valutare l’affidabilità come sorgenti d’illuminazione ambientale di LED a medio-bassa potenza con design a ridotta ottimizzazione termi-ca. Tale tipologia di dispositivi è tipicamente destinata all’implementazione in sistemi illuminanti distribuiti, come grandi plafoniere o tubi a LED. Il loro basso costo e la discreta efficienza permettono la creazione di un’ampia varietà di soluzioni d’illumina-zione integranti una o più serie di dispositivi. La vicinanza di un cosi grande numero di sorgenti e la non sempre ottimale gestione del calore prodotto possono causare gravi problemi di affidabilità a questi dispositivi, già penalizzati, per ragioni economiche, dall’utilizzo di un package non otticamente e termicamente evoluto. Per valutare l’e-satto impatto del degrado di questo tipo di sistemi è necessario improntare degli studi di degrado accelerato, valutando la variazione delle performance ottiche e delle carat-teristiche elettriche dei dispositivi in questione.In questo capitolo verranno descritte e confrontate le quattro diverse tipologie di campioni prescelti per lo studio di degrado. Si procederà, inoltre, alla descrizione dei setup utilizzati per la caratterizzazione ottica ed elettrica e per lo stress dei dispositivi. La descrizione delle tecniche di caratterizzazione termica è invece lasciata al capitolo successivo.
4.1 Confronto dei campioni
In questa tesi si è voluto analizzare il degrado di quattro diversi campioni di LED a medio-bassa potenza, tre basati sul molto diffuso package 5630 (5.6 × 3.0 mm) ed un quarto di dimensione molto più ridotte (2 × 0.8 mm), utilizzato anche per applicazioni di backlighting. I criteri per la selezione dei dispositivi sono stati i seguenti:
− temperatura di colore nominale di 3000 K; − CRI > 80;
− corrente di polarizzazione nominale pari a 100 ± 20 mA; − simile temperatura di giunzione massima sostenibile.
La ricerca tra i più importanti produttori a livello mondiale di LED per l’illuminazione ha portato alla scelta dei seguenti campioni:
• SEOUL SEMICONDUCTOR: STW8Q2PA • PHILIPS: LUXEON 5630, MXL8-PW30 • OSRAM: DURIS E5, LCW JDSI.EC
• CITIZEN: CITILED CLL600-0101A1-30AM1A2
le cui principali proprietà elettriche, ottiche e termiche sono riassunte in tabella 4.1.
Parametro Unità di misura Seoul Philips Osram Citizen
Corrente nominale Inom[mA] 100 100 120 80
Tipica tensione operativa @ Inom VF[V ] 3.2 3.1 3.2 3.2
Massima tensione in inversa VR[V ] - -5 - -5
Tipico flusso luminoso @ Inom φL[lm] 27.9 33 43 24.1
Tipico angolo di visione
(a 1/2 d’intensità) 2θ 120 120 120 n/d
CRI tipico [Ra] 85 82 85 85
Tipica resistenza termica
(junction to solder point) Rth−J S[
◦K/W ] 15 24 48 90
Massima temperatura
di giunzione Tj−max[
◦C] 125 115 110 120
Tecnologia InGaN su Zaffiro
Tabella 4.1: Confronto fra le principali caratteristiche dei campioni in esame estrapolate dai datasheet