Testverfahren zur Lebensdauer und Belastbarkeit von LEDs Feintuning für Leuchtdioden

Bereits ihre grundsätzliche Bauweise macht LEDs zu einer besonders effizienten und robusten Leuchtlösung. In Bezug auf ihre Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit sind die Wahl und das Zusammenspiel der eingesetzten Materialien, die mechanische Verarbeitung sowie das elektrische und thermische Design wichtige Faktoren. Daneben spielen aber auch die Feinabstimmung bei der Auslegung sowie die Berücksichtigung mechanischer und umweltbedingter Auswirkungen eine Rolle. Dieses Feintuning bedarf großer Erfahrung und technischer Expertise.

Als einer der wenigen Anbieter deckt Osram alle Bereiche vom Material- und Leuchtstoffdesign bis zur Gehäuseentwicklung im eigenen Betrieb ab. Auch die Entwicklung und Durchführung von Testverfahren zur Lebensdauer und Belastung von LEDs nimmt Osram selbst in die Hand.

Thermisches Design beeinflusst LED-Lebensdauer unmittelbar

Ein robustes Design alleine reicht nicht aus, um die in einer Anwendung geforderte Lebensdauer und Widerstandsfähigkeit einer LED zu erreichen. Daher ist es wichtig, folgende vier Faktoren zu berücksichtigen: Das thermische Design des Systems hat einen unmittelbaren Einfluss auf die Lebensdauer der LED. Dabei ist besonders zu beachten, dass die maximal erlaubte Junction Temperature der LED nicht überschritten werden darf, um eine vorzeitige Alterung oder Spontanausfälle zu verhindern.

Zudem hängt die Lebensdauer einer LED auch unmittelbar von ihrer Betriebstemperatur ab: Niedrigere Betriebstemperaturen führen zu einer höheren Lebensdauer, höhere Betriebstemperaturen führen zu einer niedrigeren Lebensdauer. Genaue Berechnungsvorschriften legen fest, wie sich Temperaturen an verschiedenen Stellen der LED ineinander umrechnen lassen, um das thermische Design so abzustimmen, dass es die Alterungsrate reduziert und die Ausfallrate (FIT) senkt. Entscheidend dafür sind die thermischen Widerstände, die bei Materialübergängen innerhalb der LED und beim Übergang zur Leiterplatte oder zum Gehäuse auftreten.

Elektrisches Design und Umwelteinflüsse

Das elektrische Design wirkt sich ebenso auf die Lebensdauer der LED aus. Da ihre Kennlinie nichtlinear ist, muss der Strom durch die LED begrenzt werden. Dies kann im einfachsten Fall über einen Vorwiderstand erfolgen, idealerweise wird die LED über eine Konstantstromquelle betrieben. Der Maximalstrom der LED darf nicht überschritten werden, um eine vorzeitige Alterung oder Spontanausfälle zu verhindern. Auch sollten hohe Spannungs- und ESD-Pulse vermieden werden, da sie zu zusätzlichem Stress in der LED führen.

Auch Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit oder Chemikalien können die LED schädigen. Bei den Chemikalien handelt es sich meist um sogenannte VOCs (Volatile Organic Compounds), also flüchtige organische Verbindungen. Sie können aus der Umwelt stammen oder sie gasen aus Materialien aus, die die LED umgeben, wie beispielsweise Klebstoffen oder Kunststoffen. Deshalb ist sicherzustellen, dass alle Materialien, die für das Gehäuse oder die Konstruktion der LED verwendet werden, diese nicht durch Ausgasung oder andere Einflüsse beschädigen.

Bereits bei der Bestückung der Leiterplatte muss darauf geachtet werden, dass es zu keiner mechanischen Beschädigung der LED kommt. Aus diesem Grund ist es wichtig, die empfohlene Ansaugpipette, auch Nozzle genannt, zu verwenden. Auch bei der Weiterverarbeitung der bestückten Leiterplatten und später bei der Lagerung muss die LED sorgfältig vor mechanischen Einwirkungen geschützt werden. Insbesondere darf man keinen Druck auf ihren Silikonverguss ausüben, damit es zu keinem Totalausfall kommt.

Parameter für LEDs festlegen

Um all diese Faktoren optimal auf die Anforderungen der verschiedenen Einsatzgebiete abstimmen beziehungsweise die Lebensdauer und Fehlerquoten für die Anwender eindeutig ausweisen zu können, gibt es standardisierte Testverfahren. Dazu wurden zunächst die Parameter und Messwerte eindeutig definiert:

• Da LEDs anders als Glühlampen nur selten komplett ausfallen, muss die Beschreibung ihrer Lebensdauer anders festgelegt werden, und zwar durch eine Bestimmung des Lichtstromabfalls über den L-Wert. Meist wird das Ende der Lebensdauer eines LED-Moduls als derjenige Zeitpunkt definiert, an dem es noch 70 Prozent des anfänglichen Lichtstroms aussendet. L70 = 50.000 h bedeutet also, dass das Modul nach 50.000 Stunden noch 70 Prozent des ursprünglichen Lichtstroms emittiert. Alternativ kann auch die Zeit definiert werden, bei der noch 50, 80 oder 90 Prozent des Lichtstroms abgegeben werden. Diese Festlegung ist dann an der Zahl, die nach dem L aufgeführt wird, ersichtlich (L50, L80, L90).

• Der B-Wert beschreibt die „Ausfallrate“ einer LED, genauer gesagt den Prozentsatz an gleichen LED-Modulen, die früher als im L-Wert angegeben einen geringeren Prozentsatz an Lichtstrom aussenden. Der Wert B50 besagt also, dass mindestens 50 Prozent der Module den angegebenen L-Wert erreichen und die andere Hälfte zum definierten Zeitpunkt einen geringeren Lichtstrom abgibt.

Die Gesamtangabe L70 B10 = 50.000 h bedeutet schließlich, dass 10 Prozent der LED-Module nach einer Zeit von 50.000 Stunden Betriebsdauer einen Lichtstrom haben, der weniger als 70 Prozent des Ausgangslichtstroms beträgt. Die typischen Werte sind dabei stark anwendungsabhängig. In professionellen Einsatzgebieten, bei denen die Langlebigkeit ein besonders wichtiger Faktor ist, wäre L70 > 50.000 h eine gängige Angabe. Hier rechnet sich der Einsatz von besonders hochwertigen Materialien und eine genaue Auslegung aller Parameter, weil ein Austausch der LED beispielsweise den laufenden Geschäftsbetrieb unterbrechen würde oder aufgrund des Anbringungsortes sehr aufwändig wäre.

Bei Retrofit-Lampen für den Consumer-Markt hingegen ist L70 ≈ 15.000-25.000 h eine gängige Angabe, da dieses Marktsegment besonders kostensensitiv in Bezug auf den Kaufpreis ist, ein Austausch der LED nach über 15.000 Stunden Betriebsdauer aber kein Problem darstellt. Generell kann festgehalten werden, dass LEDs gegenüber anderen Lichttechnologien eine besonders hohe Lebensdauer und niedrige Ausfallraten aufweisen.

Standardisierte Tests für die Lebensdauer

Mithilfe dieser Parameter lassen sich standardisierte Tests durchführen, die die Lebensdauer und Ausfallraten ausweisen. IES LM-80 ist das standardisiere Testverfahren, um den Abfall des Lumen-Outputs von Solid-State-(LED)-Lichtquellen, Arrays und Modulen über die Lebensdauer zu ermitteln. Festgelegt sind dabei unter anderem folgende Kriterien:

• Messbedingungen: konstante Umgebungstemperatur, konstanter Umgebungsmesspunkt, geringer Luftstrom während der Messung, korrekte Orientierung der LED, korrekte und regelbare elektrische Einstellungen (Spannung, Strom, ...).

• Definition der Umgebungsbedingung: Um reale Bedingungen zu simulieren, soll die Messung bei verschiedenen Temperaturen erfolgen. Der Test soll bei mindestens drei Temperaturen durchgeführt werden (55°C, 85°C und eine dritte, vom Hersteller festgelegte Temperatur).

• Testintervalle: Die Testdauer muss mindestens 6.000, besser 10.000 Stunden betragen. Dabei wird mindestens alle 1.000 Stunden ein Testintervall durchgeführt.

Im Testreport erfolgt eine detaillierte Beschreibung der Lichtquelle, der Umgebungsbedingungen und -temperatur, der elektrischen Bedingungen, der Lumen-Werte, der beobachteten Fehler, der Testintervalle sowie der Farbverschiebung über die Zeit.

Das Technical Memorandum TM-21

Das Technical Memorandum TM-21 ist eine Vorschrift, wie man aus den LM-80-Testdaten die Lebensdauern der getesteten LEDs berechnen kann. Es dient als Ergänzung, um eine Abschätzung über die Zeitspanne des LM-80-Tests hinaus simulieren zu können. Mit dem Testergebnis lässt sich der Licht-Output der Quelle als Teil eines Systems abschätzen. Als Testtemperaturen werden dieselben Werte wie beim LM-80-Test verwendet.

Um die Daten bei den verschiedenen Temperaturen zu interpolieren, kommt die Arrhenius-Gleichung zum Einsatz. Diese Gleichung beschreibt näherungsweise eine quantitative Temperaturabhängigkeit für physikalische und vor allem chemische Prozesse, bei denen auf molekularer Ebene eine Aktivierungsenergie überwunden werden muss. Eine Extrapolation der Daten auf Temperaturen außerhalb der Testtemperaturen wird nicht unterstützt. Für Daten zwischen 6.000 und 10.000 Stunden verwendet TM-21 die Messdaten der letzten 5.000 Stunden einer Messreihe. Bei Messzeiten von mehr als 10.000 Stunden nutzt es die Messdaten der letzten Hälfte der Messzeit. Die minimale Anzahl getesteter LEDs beträgt 20 Stück für jede Temperatur und jeden Betriebsstrom.

Material und Auslegung genau prüfen

Im Idealfall sollten das Material und die Auslegung einer LED genau auf das Einsatzgebiet abgestimmt sein, um Entwicklern von Lichtsystemen eine optimale Komponentenauswahl für ihre Lichtlösungen zu ermöglichen. Um seinen Kunden ein breites Angebot an Lösungen anbieten zu können, investiert Osram seit langem in die Weiterentwicklung unterschiedlicher LEDs. Entwickler sollten sowohl das angebotene Produktangebot als auch die Begleitung bei der Entwicklung berücksichtigen bei der Wahl ihres Partners für LED-Technologie.