Eclairage Automobile: Les conséquences de l intégration de DELs blanches de puissance sur la stratégie des tests de fiabilité

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1 Laboratoire d électronique et de technologie de l information Eclairage Automobile: Les conséquences de l intégration de DELs blanches de puissance sur la stratégie des tests de fiabilité Bertrand CHAMBION, Jeudi 18 Octobre 2012, Tours L. Mendizabal, V. Carreau, L. Bechou, A. Gasse, J. Rullière

2 Sommaire 1. Les DELs dans l automobile: applications et tendances éclairage 2. Le contexte normatif: quels sont les documents de référence? Sont-ils adaptés? 3. Les architectures des composants dédiés automobile: a) Parades technologiques? b) Les conséquences sur les tests de fiabilité: les mesures i) Mesures électriques ii) Mesures photométriques iii) Mesures thermiques c) Comment améliorer le suivi de ces composants en vieillissement - utilisation? d) Bancs de tests et résultats préliminaires 4. Conclusion 2

3 1) Les DELs dans l automobile: applications et tendances éclairage Marché global DELs - Applications principales: Backlight, General Lighting 2010 Marché automobile: <10% du marché global Puissance engagée K. Eichhorn, 2006 Temps 3

4 1) Les DELs dans l automobile: applications et tendances éclairage Les sources lumineuses Source Halogène Source Xenon Source à DELs Rendement = 25 lm/w Flux = 1 500/ 2 000lm H4 = 60W H7 = 55W Rendement = 90 lm/w Flux = / lm Rendement énergétique Réduction émissions CO 2 Autonomie Km H7 with Reflector D1S = 35W D5S = 25W Rendement = C Flux = 600 à 1200 lm / module 4 chips led module 15W Multi single led 3W Led driver = 50 / 300lm / puce Reflector led system lens led system H7 with lens (elliptic) M. MAI, ISAL 2011 Driver Xenon 4

5 2) Le contexte normatif: quels sont les documents de référence? Sont-ils adaptés? Profil de mission des DELs en automobile Grand public h << h Durée de fonctionnement Fort courant (max) ~ 1 A Température de couleur, flux Normes ECE sources standard 1000lm min Température Courant Humidité Photométrie Cyclage Choc thermique (Mil-Std-883) Jusqu à 30 C/min 5

6 2) Le contexte normatif: quels sont les documents de référence? Sont-ils adaptés? Normes dédiées DELs / Eclairage général Tests de h LM 80 Paramètres à suivre TM 21 Extrapolations Durée de tests Profil de mission DELs pour l automobile Durée de fonctionnement Température Normes Automobile Eclairage AEC Q101 Qualification des composants discrets ISO Tests environnementaux Eq. Électronique UNECE Sources R48, 99, 112, 127 Courant Humidité Photométrie Cyclage 6

7 3) L architecture des composants DELs dédiés automobile a) Parades technologiques? Composant classique Composant Auto Un besoin de puissance lumineuse 1000lm minimum par projecteur Composants multipuces (2 à 5) Forte densité de courant (1A/mm²) Forte densité de puissance (400W/cm²) Adaptation thermomécanique Un profil de mission sévère Température, humidité, cyclage, courant Travail sur la thermique : Rth~2K/W Brasures Au-Sn Embase céramique AlN Drain thermique métallique Encapsulation des puces Protection humidité Verre plan ou dôme Silicones 7

8 b) Conséquences sur les tests de fiabilité: les mesures Modèle global de vieillissement Modèles d accélération et paramètres associés Thermique (Arrhénius) Electrique (Eyring, Black) Hygrométrie (Peck) Cyclage (Cofin Manson) Mesures électriques I(V) Rs, Rp, Vf Mesures physiques sur véhicules de test: monitoring Mesures thermiques Rth Tj Kfactor Mesures photométriques Spectre Lumens Température x,y Mesures globales niveau composant monopuce multipuces 8

9 i) Mesures électriques - + Caractéristique I(V) niveau composant -5,00-3,00-1,00 1,00 3,00 5,00 7,00 9,00 11,00 13,00 15,00 1,E+00 Rp I (A) 1,E-01 1,E-02 1,E-03 1,E-04 1,E-05 1,E-06 1,E-07 1,E-08 1,E-09 1,E-10 1,E-11 DEL A DEL B Tunnel GaN, défauts Recombinaison radiative U (V) Rs Mesure globale multipuces Pas de suivi individualisé des puces Diagnostic de défaillance difficile à établir Mécanismes multiples Influence directe sur le modèle d accélération associé 9

10 ii) Mesures Photométriques - + Mesures par sphère intégrante Flux, Spectre Mesure globale multipuces Popt µw/nm DEL A DEL B Pas de suivi individualisé des puces Diagnostic de défaillance difficile à établir Mécanismes multiples Longueur d'onde (nm) Influence directe sur le modèle d accélération associé 10

11 Cth [Ws/K] iii) Mesures Thermiques - + Cth (Ws/K) Mesures T3Ster niveau composant Sondage thermique du composant Test_Altilon - Ch. 1 DEL A T3Ster Master: cumulative structure function(s) Puit thermique Mesure globale multipuces Pas de suivi individualisé des puces ,1 0,01 0, e ,5 1 Rth 1,5 [K/W] 2 2,5 Puces Bumps métal Brasure céramique Rth (K/W) Adhésif Th +dissipateur Diagnostic de défaillance difficile à établir Mécanismes multiples Influence directe sur le modèle d accélération associé 11

12 c) Comment améliorer le suivi de ces composants en vieillissement-utilisation? Travail exploratoire sur des composants multipuces dédiés automobile Mesures électriques Mesures thermiques Mesures photométriques Thermographie IR, Observation des puces en fonctionnement R. Horng, 2011 Mesures relatives, Tendances Yole dvpt Philips M. Meneghini, 2007 Peu adapté à une étude de fiabilité Recouper les mesures et évolutions afin de détecter un signe précoce de défaillance Analyse de défaillances 12

13 d) Bancs de test et résultats préliminaires Banc de vieillissement dédié automobile Thermique Electrique Photométrique Premiers résultats: Test sous humidité ambiante 10,34 14,5 Suivi de Vf en vieillissement sous contraintes échelonnées Vf (V) 10,32 10,3 10,28 10,26 10,24 10,22 10,2 I=1mA Vf DEL A Vf DEL B Vf (V) 14 13, , mA 1000mA Vf DEL A Vf DEL B Temps (h) Temps (h) 13

14 Conclusion Composants DELs automobile: <10% du marché global des DELs Performances supérieures au xénon pour l éclairage général Composants multipuces Intégration rapide de DELs de puissance blanches dans les projecteurs Normes et réglementation: Pas de document dédié exclusivement Pas d outils ni de critère de sélection de composants Mesures et étude de fiabilité appliquées aux composants multipuces: Mesures physiques globales des composants (architecture) Impossibilité de diagnostiquer les puces individuellement Indentification de tendances possibles mais lourdes techniquement Croisement des modèles - vieillissements privilégiés Peu de bibliographie (L.KIM, 2006; G.ELGER,2011; F.CHEN 2012) - Caractérisations mais pas de vieillissements 14

15 Merci de votre attention Des questions? Laboratoire d électronique et de technologie de l information Laurent.mendizabal@cea.fr Adrien.gasse@cea.fr Bertrand.chambion@cea.fr Laboratoire de Packaging et Assemblage CEA LETI, Grenoble Vincent.carreau@renault.com Bertrand.chambion@renault.com DREAM/DELTA/SEL Laurent.bechou@u-bordeaux1.fr yannick.deshayes@u-bordeaux1.fr Laboratoire IMS, Intégration des Matériaux au Système Université Bordeaux 1 15