_M3A1983

Im ersten Dosierschritt werden 70 bis 80 Prozent der geplanten Menge des Konvertermaterials aufgebracht, anschließend erfolgt eine photometrische Inline-Vermessung mit der Ulbrichtkugel. (Bild: Tridonic)

Weißes Licht lässt sich nicht direkt erzeugen. Es entsteht stets aus einer Farbmischung: zum Beispiel aus der Kombination von roten, blauen und grünen LED-Chips (RGB) oder aus einer Kombination von blauem Licht und einem Konverter-Leuchtstoff. Weißes Licht für die Allgemeinbeleuchtung wird heute meist über Wellenlängenkonversion erzeugt, das heißt über einen blauen LED-Chip und einen Konverter-Leuchtstoff. Da die Energie des Lichts umgekehrt proportional zur Wellenlänge ist, hat kurzwelliges blaues Licht eine höhere Energie als beispielsweise das langwelligere gelbe Licht. Regt man geeignete Leuchtstoffe mit blauen LED-Chips an, wird ein Teil des höher energetischen blauen Lichts vom Leuchtstoff absorbiert und in niederenergetischere Strahlung umgewandelt, beispielsweise in gelbes oder rotes Licht. Das restliche blaue Licht und das erzeugte gelb/grüne oder rote Licht ergeben in der additiven Mischung dann weißes Licht. Das Konversionsmaterial lässt sich entweder direkt auf einen blau emittierenden LED-Chip aufbringen oder es wird in der LED-Vergussmasse aus Silikon dispergiert.

Farb- oder Helligkeitsunterschiede reduzieren

In der Fertigung ergeben sich beim weißen Licht dennoch kleine Farb- und Helligkeitsunterschiede zwischen den einzelnen LEDs, auch wenn sie aus einer Charge stammen. Ein bewährtes Verfahren, um Farb- oder Helligkeitsunterschiede zu reduzieren, ist das Binning. Dabei können LEDs nach Eigenschaften wie Helligkeit, Farbort oder Vorwärtsspannung in Klassen eingeteilt werden. Vor allem die Klassifizierung nach Farbort ist wichtig, da beim menschlichen Sehen die Sensitivität bezogen auf Farbunterschiede sehr hoch ist. Helligkeitsunterschiede werden dagegen weit weniger stark wahrgenommen. Je spezifischer die Klasseneinteilung erfolgt, desto höher ist der Aufwand für das Binning und damit auch der Preis für die LEDs. Tridonic, ein Anbieter von intelligenten und effizienten Lichtlösungen, verzichtet auf Binning und gleicht die feinen Unterschiede Schritt für Schritt über die Zusammensetzung des Konvertermaterials und dessen Dicke aus. Dieses ressourcenschonende Verfahren bringt Lichtquellen mit konstant gleichen Eigenschaften hervor.

Schritt für Schritt zum genauen Farbort

Das Ausgangsmaterial für Chip-on-Board-LEDs (CoB) sind blaue LED-Chips mit Wellenlängen zwischen 447,5 und 465 nm. Als erstes werden die rohen Chips auf ihre wichtigsten Materialeigenschaften – dominante Wellenlänge, Helligkeit, Vorwärtsspannung – untersucht und typischerweise in 2,5-nm-Wellenlängen-Klassen eingeteilt. In Sonderfällen, wenn zum Beispiel die Lichtquelle aus nur einem LED-Chip aufgebaut wird, erfolgt die Einteilung auch in bis zu 0,5-nm-Klassen. Etwaige Unterschiede in den Eigenschaften innerhalb dieser Wellenlängen-Klassen werden durch eine spezielle Technologie beim Aufbringen des Konvertermaterials ausgeglichen. Für jede dieser Wellenlängen-Klassen gibt es exakt abgestimmte Rezepte für das Konvertermaterial. Das Aufbringen geschieht in zwei Schritten. Im ersten Dosierschritt werden etwa 70 bis 80 Prozent der geplanten Menge des jeweiligen Konvertermaterials aufgebracht. Noch im ungehärteten Zustand des Materials erfolgt eine erste photometrische Vermessung. Dabei positioniert ein Inline-Messroboter über jede einzelne Lichtquelle vollautomatisch eine sogenannte Ulbrichtkugel – der gängige Messaufbau, um das Licht einer Lichtquelle in seiner Gesamtheit zu erfassen. Dieses Verfahren ermöglicht die genaue Charakterisierung des abgestrahlten Lichtes. Nach ihrer Positionierung wird die jeweilige Lichtquelle elektrisch kontaktiert und innerhalb von 20 bis 50 ms das Lichtspektrum gemessen. Über einen Lichtwellenleiter ist die Ulbrichtkugel mit einem hochauflösenden Spektrometer verbunden.

_M3A2174

Im zweiten Dosierschritt erhält jede Lichtquelle zusätzlich die individuell erforderliche Menge an Konversionsmaterial. Tridonic

TUnable White

Für einstellbares Weiß realisiert Tridonic die geforderten geringen Farbtoleranzen über die Wellenlängenkonversion mittels 2-Kanal-Technologie (Kaltweiß/Warmweiß), bei CoB-LEDs über 3-Kanal-Technologie (monochromes Rot und Blau sowie grüner Phosphor). Jeder Kanal kennzeichnet einen Punkt im CIE-Farbdreieck. In der 2-Kanal-Variante sind dies zwei Punkte (Warmweiß und Kaltweiß). Durch Kombination verschiedener Anteile der beiden Kanäle sind mit der 2-Kanal-Variante alle Farbeindrücke/Farborte möglich, die genau auf der Verbindungslinie zwischen den beiden Punkten im CIE-Farbdreieck liegen.

Erste Auskünfte

Die Ergebnisse geben eine erste Auskunft darüber, ob die LEDs im vorgegebenen Toleranzbereich um den gewünschten Farbort liegen. Der Farbort beschreibt die Farbe exakt anhand ihrer Koordinaten im CIE-Farbraum. Der Toleranzbereich steht für die maximal mögliche Abweichung vom gewünschten Farbort. Die Maßeinheit der Farbtoleranz ist SDCM (Standard Deviation of Colour Matching), ihr Wert stellt den Bezug zum CIE-Farbraum und den McAdam-Ellipsen her. SDCM 1 beziehungsweise McAdam 1 beschreibt beispielsweise die sehr kleine Ellipse um den gewünschten Farbort, in der alle LEDs mit entsprechender Klassifizierung liegen müssen. Hier sind nur sehr geringe Abweichungen vom gewünschten Farbort erlaubt. Entsprechend größer fallen McAdam-2- und McAdam-3-Ellipsen aus. Für die meisten Anwendungen in der Allgemeinbeleuchtung hat sich McAdam 3 als Standard etabliert.

_M3A2208

Das Diagramm zeigt die Verteilung der erreichten Farborte nach dem zweiten Dosierschritt. Tridonic

In einem zweiten Dosierschritt kann auf jede Lichtquelle eine individuell angepasste Menge Konvertermaterial aufgebracht werden, um die finale Abweichung vom Zielfarbort weiter zu reduzieren. Dadurch gelingt es, sich über die Dicke der Konversionsschicht dem gewünschten Farbort immer mehr zu nähern. Auch nach dem zweiten Dosierschritt erfolgt eine vollautomatische photometrische Vermessung. Dabei wird zum einen das Endergebnis kontrolliert, aber auch der Prozess und die Optimierung von Regelparametern des vorangegangenen Prozesses werden einbezogen. Das System ist auf kontinuierliche Selbstoptimierung ausgelegt. Durch die beiden, voneinander unabhängigen Dosiervorgänge lassen sich die Streuungen in den einzelnen Wellenlängen-Klassen deutlich reduzieren. Auf diese Weise gelangt man Schritt für Schritt zum gewünschten Farbort. Die Ausfall- oder Fehlerrate liegt im Idealfall bei deutlich unter einem Prozent. Das reduziert den Materialverbrauch und schont die wertvollen Ressourcen. Bei einstufigen Vergussprozessen liegt die Fehlerrate der LEDs, die nicht den spezifizierten Farbort treffen, bei bis zu 10 Prozent.

Qualitätssicherung während der Fertigung

Um die gewünschten Farbtoleranzen sicher einzuhalten, legt man den Toleranzbereich während der Fertigung in engeren Grenzen fest, als die Produktspezifikation erfordert. Soll die Farbtoleranz der LEDs am Ende McAdam 3 entsprechen, gibt man in der Fertigung McAdam 2,5 vor. Das Verfahren ist beliebig skalierbar, sodass auch Farbtoleranzen realisierbar sind, die McAdam 2 oder sogar McAdam 1 entsprechen. Diese geringen Toleranzen sind beispielsweise notwendig, um Exponate in Museen und Ausstellungen farbgetreu wiederzugeben. Aber auch das Gesundheitswesen fordert enge Farbtoleranzen oder die Einhaltung spezieller Kenngrößen im Bereich der Farbwiedergabe. Hier müssen zum Beispiel rote Farbtöne besonders naturgetreu dargestellt werden, damit eine unzureichende Sauerstoffsättigung im Blut schon als Änderung der Hautfarbe visuell erkannt werden kann.

SMD-LEDs für automatisierte Lötprozesse

_M3A1904

Nach den Dosiervorgängen wird jede einzelne Lichtquelle kontaktiert und über eine sogenannte Ulbrichtkugel photometrisch vermessen; dieses Verfahren liefert die genauesten Messergebnisse. Tridonic

SMD-LEDs werden nach Lieferantenvereinbarung als Rollenware in bestimmten Bins eingekauft und müssen nur noch auf die Platine aufgelötet werden. Eine spezielle Matrix legt fest, wie die LEDs miteinander kombiniert werden können, um die gewünschten Farbtoleranzen einzuhalten. Die erreichbaren Farbtoleranzen entsprechen theoretisch denen des CoB-Prozesses. In der Praxis lässt sich das System im Gegensatz zum CoB-Prozess jedoch nicht beliebig skalieren. Die Rollenware wird zwar in bestimmten Bins geliefert, aber auch Bins haben Toleranzbereiche in Bezug auf die Eigenschaften der SMD-LEDs. Ob die angelieferte Ware gleichmäßig verteilt über den Bin oder in der Nähe der Toleranzgrenzen liegt, lässt sich weder vorhersagen noch während des Herstellprozesses aussteuern. Dieser Umstand limitiert die Erreichbarkeit der theoretisch möglichen Farbgenauigkeit im Vergleich zu CoB-Lösungen.

Aus beiden LED-Bauformen entstehen homogene weiße, reproduzierbare Lichtquellen und LED-Module, die nicht nur nach Farbtemperatur, sondern auch exakt nach Farbort und McAdam-Farbtoleranzen klassifiziert sind. Es treten keine erkennbaren Farbunterschiede auf. Leuchtenhersteller profitieren von erheblichen logistischen und anwendungsrelevanten Vorteilen. In der Anwendung erscheint stets ein homogenes Lichtbild. Die Raum- oder Objektwirkung bleibt konstant. Aufgrund des ressourcenschonenden Verfahrens mit geringen Fehlerraten ist der Einsatz der LEDs und der LED-Module auch in preissensitiven Bereichen möglich.

Dr. Martin Pfeiler-Deutschmann

Head of Product Realisation bei Tridonic in Österreich

Dipl.-Ing. Cornelia Mrosk

Redaktionsbüro Mrosk in Ettlingen

(hw)

Kostenlose Registrierung

Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.
*

Ich habe die AGB, die Hinweise zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

*) Pflichtfeld

Sie sind bereits registriert?