Bild 1: Prototyp der LED-Halterung für den Messaufbau.Rood Microtec
Die Innovationsgeschwindigkeit von LEDs ist noch immer enorm. Unterstützt durch internationale Regelungen im Zuge des Klimawandels verdrängen sie klassische Lichtquellen in unterschiedlichsten Anwendungen. Entscheidende Vorteile sind geringer Energieverbrauch und hohe Lebensdauer, aber auch die geringe Größe und die breite Auswahl an Farben und Leistungen, die dem Anwender eine hohe Flexibilität im Design gestatten.
Neben den optischen und elektrischen Parametern sind gerade auch die thermischen Eigenschaften einer LED-Beleuchtung zu kontrollieren, da Leistung und Farbe sowie die Lebensdauer von LEDs stark von der Temperatur abhängen. Da die Verpackung der LEDs in aller Regel aus diversen Kunststoffen aufgebaut ist, muss man der geringen mechanischen Stabilität und der Empfindlichkeit gegen Schadstoffe aus der Umgebung Rechnung tragen.
Bereits bei der Auswahl der LED sind alle diese Aspekte gründlich zu bewerten, um spätere Fehler zu vermeiden. Da in der Regel die Datenblätter des Herstellers nicht alle notwendigen Informationen für die spezifizierten Einsatzbedingungen liefern, sind zusätzliche Messungen und Untersuchungen notwendig.
Charakterisierung von LEDs
Das fängt mit der Charakterisierung der LED als Komponente an. Da Farbe und abgestrahlte optische Leistung letztlich von der Sperrschichttemperatur Tj der LED abhängen, ist es wichtig, diese Parameter als Funktion der Sperrschichttemperatur Tj zu kennen. Tj wird indirekt über die Messung des thermischen Widerstands der LED-Komponente berechnet. In der LED-Leuchte ist zusätzlich der thermische Widerstand zwischen LED-Lötpunkt und Umgebung zu bestimmen, um daraus Tj in der Applikation zu ermitteln.
Unabhängiges Testhaus
Der Umstieg auf LEDs stellt neue und anspruchsvolle Herausforderungen an die Hersteller, die LEDs in ihren Produkten nutzen, und auch deren Kunden. So unterscheiden sich LED-Leuchten stark von klassischen Beleuchtungssystemen, wenn es gilt, die Performance, Qualität und Langzeitzuverlässigkeit sicherzustellen. Nicht jeder Hersteller verfügt über die Instrumente, um alle Aspekte im Detail abzudecken. Hier kann ein unabhängiges Testhaus ergänzende Unterstützung leisten.
In einem flexiblen und halbautomatischen Messaufbau werden alle wesentlichen opto-elektrischen LED-Parameter nach gültigen Standards über einen weiten Temperaturbereich von -40 bis 100 °C bei verschiedenen Nominalströmen bis über 1000 mA vermessen. Ein für die optischen Messungen sehr gut geeigneter Spektralradiometer, verschiedene Stromquellen für DC-, Puls- und AC-Betrieb, sowie eine Ulbricht-Kugel sind im Messaufbau integriert. Die zentrale Einheit ist die LED-Halterung (Bild 1), die eine gute aktive Temperaturkontrolle bei ausreichender Wärmeabfuhr sicherstellt und eine Vielzahl unterschiedlicher LED-Typen aufnehmen kann. Neben Leistungs- und Farbparametern können auch Abstrahlcharakteristik und UI-Kennlinie in Vor- und Rückwärtsrichtung gemessen werden.
Untersuchungen an LED-Leuchten
Eine Reihe von gesetzlichen Vorgaben speziell im Hinblick auf die Produktsicherheit, wie Niederspannungsrichtlinie, photobiologische Sicherheit oder EMV müssen erfüllt sein, bevor ein Produkt in den Markt eingeführt werden kann. Die Einhaltung dieser Vorschriften garantiert jedoch nicht die ausreichende Qualität und Zuverlässigkeit der Produkte. Daher empfehlen sich ergänzende Untersuchungen der optischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften der LED-Leuchte.
Photogoniometer, Ulbricht-Kugel und Spektralradiometer dienen der Bestimmung aller wesentlichen optischen Parameter, wie beispielsweise gesamter Lichtstrom, Abstrahlcharakteristik, maximale Lichtstärke und Farbe. Diese Messungen werden nach Standard bei 25 °C und in der für die Applikation vorgesehenen Lage durchgeführt, wobei ausreichende thermische Stabilisierung sicherzustellen ist.
Über Messung der elektrischen Leistung gewinnt man den speziell in der Allgemeinbeleuchtung wichtigen Wirkungsgrad Lumen/Watt. Im Hinblick auf Zuverlässigkeit sind weitere elektrische Messungen von Peak- und Transientenverhalten der Treiberschaltung als auch Strom-Spannungsmessungen an der LED-Komponente sinnvoll, um eine zu hohe elektrische Belastung der LEDs feststellen zu können.
Dass die Temperatur ein ganz entscheidender Parameter bei LED-Leuchten ist, ist allgemein bekannt. Dennoch findet man häufig Produkte, bei denen das thermische Management nicht befriedigend gelöst ist. Daher sind Aufnahmen mit der Wärmebildkamera oder direkte Temperaturmessungen am Gehäuse und an kritischen Punkten im Innern sehr hilfreich bei der Bewertung. Röntgenaufnahmen können Schwachstellen in der Aufbau- und Verbindungstechnik bezüglich thermischer Ankopplung entdecken.
In manchen Anwendungen sind die LEDs Einflüssen von Schadstoffen ausgesetzt, ob vom System selbst oder aus der Umgebung, wie hohe Luftfeuchte und gasförmige chemische Stoffe. So können verwendete Kunststoffe ausgasen, Gummidichtungen geben Schwefel frei. All dies kann zu Korrosionseffekten in der LED führen. Wenn diese Exposition durch Schadstoffe nicht vermieden werden kann, muss die Eignung der LEDs in speziellen Tests nachgewiesen werden. Untersuchungsergebnisse vom Hersteller sind häufig nicht ausreichend.
In der Summe sind die beschriebenen Untersuchungen gut geeignet, Performance und Qualität einer LED-Leuchte zu beurteilen. Über die zu erwartende Lebensdauer, die bei LEDs im wesentlichen durch eine kontinuierliche Abnahme der abgestrahlten Leistung bestimmt wird, lassen sich aber nur zuverlässige Aussagen machen, wenn ein Lebensdauertest durchgeführt wird.
LED-Lebensdauertest
Das heute verbreitet angewendete Verfahren für Lebensdauertests folgt dem Standard IES LM-80-08. Der Test sollte bei drei Temperaturen über mindestens 6000 Stunden durchgeführt werden, wobei 10.000 Stunden empfohlen werden. Zwischenmessungen der optischen Leistung erfolgen im Abstand von 1000 Stunden. Die mittlere Lebensdauer wird nach IES TM-21-11 gewonnen, wobei die Mittelwerte der gemessenen Daten in der Zeit extrapoliert werden. Um zu große Fehler zu vermeiden, wird die Extrapolation auf den Faktor 6 in der Zeit begrenzt.
Die lange Testdauer ist natürlich nicht nur im Hinblick auf die Kosten, sondern auch wegen des hohen Innovationstempos ein Problem. Bisher konnte man sich jedoch noch auf kein Verfahren einigen, den Lebensdauertest zu beschleunigen.
Bild 2: Abheben von Bonddraht.Rood Microtec
Erschwerend kommt hinzu, dass verschiedene Mechanismen die Alterung beeinflussen. So sind besonders in der Anfangsphase vom Gehäuse abhängige Faktoren dominierend, die auch zu einer Zunahme der Leistung führen können, und sich erst nach einigen 100 Stunden stabilisieren. Diese Phase wird bei der Extrapolation ignoriert. Andererseits findet man bei realen Tests auch Fälle, bei denen Alterungsmechanismen erst nach 6000 Stunden einsetzen. In diesen Fällen würde ein Test bis 6000 Stunden andere, eventuell größere Lebensdauern ergeben als ein längerer Test.
Trotz dieser Unsicherheiten sind Lebensdauertests unumgänglich, da sich das Alterungsverhalten von Systemen nicht zuverlässig genug aus der Alterung der einzelnen Elemente ableiten lässt.
Fehler im Feld
LEDs können sehr zuverlässige Bauelemente sein und eine hohe Lebensdauer erreichen. So werden von namhaften Herstellern Ausfallraten deutlich geringer als die üblicherweise geforderten 10 ppm berichtet. In Tests an LED-Komponenten sind Lebensdauern weit über 50.000 Stunden zu erreichen, zumindest wenn die Sperrschichttemperaturen signifikant unterhalb des zulässigen Grenzwertes gehalten werden.
Bild 3: ESD-Schaden des LED-Dies.Rood Microtec
Dennoch werden nicht selten Ausfälle von LED-Leuchten im Feld gefunden, die durch Fehler der LED verursacht sind. Eine umfassende Fehleranalyse ist notwendig, um die Ursachen und Fehlermechanismen zu ermitteln. Erst die genaue Analyse gibt Hinweise, das Produkt zu verbessern und zukünftige Fehler zu vermeiden.
In zahlreichen Fehleranalysen an LEDs wurde ein breites Spektrum von Fehlermechanismen gefunden. Häufige Fehler sind Ablösungen der Bonddraht- oder Die-Bond-Verbindung durch thermo-mechanischen Stress (Bild 2), ESD-Schädigung des LED-Chips (Bild 3) oder Korrosion durch Eindringen von Schadgasen (Bild 4).
Bild 4: Korrosion durch Eindringen von Schadgasen. Rood Microtec
Verschiedene nichtzerstörende und zerstörende Methoden der Fehleranalyse sind verfügbar, von der visuellen Inspektion, Röntgen, elektro-optischen Messungen bis zum Öffnen und Querschleifen der LED, und letztlich Untersuchungen auf Chipebene. Das Know-how ist an vielen Beispielen aus ganz unterschiedlichen Anwendungsfeldern geschult.
Gottfried Schmitt
(jj)
