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Beschleunigtes Altern von LEDs wissenschaftlich untersucht

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Thermische Betrachtungen eines LED-Packages

Ein weiteres, gealtertes LED-Package wurde bei gleichen Bedingungen betrieben, zeigt jedoch ein abweichendes Verhalten. Der erste Anstieg der optischen Leistung bis 2000 Stunden ist vermutlich durch Ausheilungsprozesse im Halbleiterkristall zurückzuführen. So genannte Pulsmessungen bei einer Lötpunkttemperatur von 25 °C liefern einen Anstieg der Vorwärtsspannung von 3,08 V bis auf 3,3 V. Die thermische Leistung, die wie bei anderen Halbleiterbauelementen wegen Gefahr der Überhitzung abgeführt werden muss, lässt sich aus der Differenz der elektrischen und optischen Leistung bestimmen:

Pth = Pel - Pop.

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Aufgrund der Degradation und sinkender Effizienz steigt die thermische Leistung innerhalb von 14.000 Stunden um 15% an. Die Regelung der Lötpunkttemperatur verhindert, dass sich während des Versuchszeitraums die Temperatur der LED-Einheit durch die erhöhte thermische Leistung stark nach oben verschiebt. Im Gegensatz dazu gibt es im realen Betrieb in einer Leuchte keine Temperaturregelung. Im Laufe der Zeit wird sich die Temperatur im Package deshalb erhöhen. Dies kann wiederum eine beschleunigte Alterung zu Folge haben. Auch für die Untersuchung der beschleunigten Alterung werden LEDs zweier Hersteller zuvor in einer Spannweite von moderaten 350 mA und 55 °C bis zu harten Bedingungen mit 1000 mA und 95 °C gealtert. Die Temperaturangabe bezieht sich wiederum auf die Temperatur auf dem Board der gealterten LEDs. Die aufgenommenen Messwerte dienen zur Analyse des Alterungsverhaltens und zur späteren Überprüfung des Beschleunigungsansatzes. Neben dem Lichtstrom werden die Verläufe der optischen Leistung und die spektrale Änderungen betrachtet. Beispielhaft soll hier die Beschleunigung der Temperatur bei einem Strom von 1000 mA gezeigt werden.

Zu Beginn befinden sich die Chips der Packages noch in einem Ausheilungsprozess, der temperaturabhängig ist. Daher liegen die Werte der optischen Leistung nach 2000 Stunden für die Alterungsbedingung bei höchster Temperatur über denen der tieferen Temperaturen. Die gedachte Kurve für 55 °C fällt langsam auf etwa 97% des Ursprungswerts ab. Dagegen zeigt das Verhalten bei 85 °C einen kontinuierlichen nach rechts gekrümmten Verlauf bis auf 85%. Die optische Leistung der LED-Packages bei 95 °C liegt ab 6000 Stunden wie erwartet unterhalb der anderen Werte. Jedoch ist zwischen 6000 und 8000 Stunden ein starker Sprung abwärts zu erkennen. Ab diesem Zeitpunkt fällt die gedachte Kurve nun leichter ab als bei 85 °C.

Größe und Form des Risses beeinflussen Alterung

Eine mikroskopische Untersuchung zeigte, dass der starke Einbruch der optischen Leistung nach auftretenden Rissen im Silikon-Dom entstand. Das erklärt auch das danach veränderte Alterungsverhalten. Denn der Weg der Strahlung durch den Silikon-Dom wird entscheidend durch die Größe und Form des Risses beeinflusst. Der folgende zeitliche Verlauf des Lichtstroms basiert nun auf einem weiteren Mechanismus. Dies führt dazu, dass die Daten aus dieser Beschleunigung nur noch stark eingeschränkt für Rückschlüsse auf das Alterungsverhalten bei niedrigeren Temperaturen geeignet sind.

Weitere Analysen zeigen, dass der Strom den größten Einfluss auf das LED-Package ausmacht, da die aus dem Chip emittierte blaue Strahlung einen maßgeblichen Effekt zur Alterung der darüber liegenden Materialien beiträgt. Um LEDs für spezielle Anwendungen einzusetzen, müssen Entwickler darauf achten, wie die LED-Komponenten aufgebaut sind und wie sie bei bestimmten Umgebungsbedingungen reagieren. Zudem ist wichtig zu wissen, welcher Lichtstrom langfristig notwendig ist.

Beeinflusst wird der Lichtstromerhalt vom Herstellungsprozess und durch das verwendete Silizium. Auch spielen die Materialien des LED-Chips sowie der verwendete Leuchtstoff zusammen mit dem Verfahren, wie es aufgebracht wurde, eine entscheidende Rolle. Die Messung des Lichtstromerhalts wird dadurch erschwert, dass jede Komponente einer LED-Lampe unterschiedlich auf die Betriebsbedienungen reagiert. Dazu gehören der Betriebsstrom und die Temperatur.

Vorgaben von IES TM-21

Die Vorgaben von IES TM-21 zeigen zwar zuverlässig einen Trend an. Es ist nicht überprüfbar, ob die LEDs über die gesamte Lebensdauer ein exponentielles Verhalten zeigen. Zudem erfolgt keine Entwicklung über die konkreten Temperaturen in der Lampe. Ein Alterungstest bei einem moderaten Strom und mehr als drei Temperaturen, die höher als bisher reichen, erzielt gegebenenfalls schneller Daten zur Berechnung.

Als ungeeignet hat sich erwiesen, die Materialien einzeln zu untersuchen. Wenn die Einflussfaktoren auf die Degradation präziser bekannt sind, lässt sich insgesamt vorausschauender planen und entsprechend in die Entwicklung einfließen. Das beginnt von der Herstellung über den Betrieb bis zum Recycling der LEDs.

* Max Wagner ist Diplom-Physiker und Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Lichttechnik an der TU Darmstadt.

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