Etude de la fiabilité de modules à base de LEDs blanches pour applications automobile

Reliability investigation of high power white LEDs multichip modules for automotive applications

• Auteur / Autrice : Bertrand Chambion
• Direction : Laurent Bechou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 25/09/2014
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'accueil : Université Bordeaux-I (1971-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Landesman
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Bechou, Vincent Carreau, Adrien Grasse, Laurent Mendizabal, Yannick Deshayes, Zdravko Zojceski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Camps, Jean-Paul Salvestrini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automobiles -- Éclairage

Fiabilité

Diodes électroluminescentes

Mots clés libres

LED blanche

Optique

Automobile,

Puissance, multi-puce

Packaging

Robustesse

Fiabilité

Dérive paramétrique

Modélisation

Défaillance

Durée de vie

White LED

Optics

Automotive

Power

Multichip

Packaging

Robustness

Reliability

Parametric variation

Modeling

Failure

Lifetime

Résumé

Les composants dédiés et actuellement disponibles pour le marché automobileprésentent une grande diversité technologique tant au niveau puce que stratégie de packaging ouencore architecture module (mono-puce ou multi-puce) pour des performances équivalentes. Cetteétude s’est attachée à développer une méthodologie d’évaluation de la fiabilité de deux filièrestechnologiques particulières de modules de LEDs multi-puce : l’une intègre une technologie verticale(VTF pour Vertical Thin Film) tandis que la seconde est focalisée sur une structure par puce montéeretournée(TFFC pour Thin Film Flip Chip). La méthodologie s’articule autour de trois principaux axes:· La connaissance des structures et le développement de modèles électro-optiques et thermiquesmulti-puce permettant d’extraire les paramètres clés à suivre au travers d’un panel varié detechniques d’analyse physique et non-destructives incluant les aspects électriques, optiques,thermiques….· Une analyse comportementale de robustesse par paliers afin de dégager les margesopérationnelles de fonctionnement ainsi que les modes et les signatures caractéristiques dedéfaillance.· Une étude de fiabilité conduite à partir de différents régimes de contraintes accélérées pourestimer les durées de vie moyennes de ces nouveaux composants en environnement automobileet l’impact au niveau système.Les résultats mettent en évidence une durée de vie très dépendante de la filière technologique(facteur 6 entre les deux filières étudiées). Les analyses de défaillance ont permis d’identifierprécisément les comportements de ces nouvelles sources d’éclairage pour dégager des indicateursprécoces de défaillance. Enfin, des préconisations ont été extraites afin de fiabiliser les futursprojecteurs à sources LEDs de puissance pour les applications en automobile.

With rapid development of Lighting Emitting Diode (LED) market, LED performancesare now suitable for automotive high beam / low beam lighting applications. Due to the need of UltraHigh Brightness (UHB-LEDs), LEDs are packaged on high thermal conductivity materials to obtainmultichip module (4 chips in series), which deliver up to 1000 lumens at 1A. Currently, several LEDtechnologies are commercially offered for the same performances, and different packaging strategieshave been implemented in terms of chip configuration, bonding, down conversion phosphor layerand mechanical protection to optimize performances. This study addresses a dedicated methodologyfor reliability analysis, applied on two LED chip packaging technologies: On the one hand, a VerticalThin Film (VTF) technology; on the other hand a Thin Film Flip Chip (TFFC). Our methodology is basedon 3 main items: Packaging technology structure, materials analysis and electro-optical and thermal multichipmodels for both technologies to understand and extract the key parameters to monitor duringageing tests. Robustness assessment tests to define operating margins, adjust accelerated life-testingconditions, and identify failures signatures. Reliability study through a 6 000 hours High Temperature Operating Life (HTOL) acceleratedtests, to predict the Mean Time To Failure (MTTF) of these new light source technologiesregarding the automotive mission profile. Linked to failure analysis, convincing failuremechanisms are proposed.Based on these results, parametric variations are compared to failure analysis results topropose failure mechanisms. The HTOL tests reveal that both LED technologies have their specificreliability behavior and failure modes: catastrophic failure and gradual failure. Predictive lifetimeestimations (L70B50) of these multichip modules give a factor 6 between both technologies.Beyond these reliability results, the multichip architecture brings new issues for Solid StateLighting (SSL) sources in automotive, as well as partial failure or unbalanced behavior after stress.These new issues are discussed through the behavior modeling of a 10 LED modules batch for bothfailure modes. Modeling results demonstrate that the predictive lifetime of a LED multichiparchitecture is directly related with the LED technology failure mode.