Grundlagenwissen LED Beschleunigtes Altern von LEDs wissenschaftlich untersucht

Autor / Redakteur: Max Wagner * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Wie alle elektronische Bauteile unterliegen auch LEDs einer Alterung. Wir zeigen, welche Parameter die Lebensdauer beeinflussen und inwiefern die Erkenntnisse für die LED-Entwicklung relevant sind.

Firmen zum Thema

Alterungsprozess von LEDs: Um zu verstehen, wie eine LED im Laufe der Zeit altert, haben Wissenschaftler diesen Prozess beschleunigt. Das Bild zeigt einen sogenannten Brennstand.
Alterungsprozess von LEDs: Um zu verstehen, wie eine LED im Laufe der Zeit altert, haben Wissenschaftler diesen Prozess beschleunigt. Das Bild zeigt einen sogenannten Brennstand.
(Bild: TU Darmstadt)

Die LED-Beleuchtung ist für die Energieoptimierung von Gebäuden und Städten gefragt. Sie wandelt im Vergleich zu konkurrierenden Leuchtmitteln mit dem höchsten Wirkungsgrad Energie in Licht um. Zudem ist eine LED-Beleuchtung im Vergleich zu vielen anderen Lichttechnologien erheblich langlebiger. Aber wie bei allen Produkten unterscheidet sich die Produktqualität der LED-Lampen erheblich. Damit sie ihre Vorteile voll ausspielen können, muss auf die Qualität des Herstellungsverfahrens und der verwendeten Materialien Wert gelegt werden.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 6 Bildern

Soll der Einsatzzeitraum optimiert werden, sind beispielsweise Lebensdauerberechnungen sowie Alterung von Elektronik, Elektrik und Kunststoff-Materialien mit einzubeziehen. Über die Lebensdauer von LED-Leuchten erfolgt eine kontinuierliche Abnahme der Lichtleistung. Man spricht hier von einer Degradation. Zu den Faktoren, die den Lichtstromerhalt von LEDs beeinflussen, zählen insbesondere die Betriebstemperatur und der Betriebsstrom. Idealerweise wird eine Leuchtdiode über ihren ganzen Zyklus hinweg konstant mit dem vom Hersteller spezifizierten Betriebsstrom angesteuert. Des weiteren sollte sich die Betriebstemperatur im vorgegebenen Korridor bewegen. Allerdings sind die Bedingungen in der Praxis nicht immer gewährleistet.

Ergänzendes zum Thema
Veranstaltungstipp

Auf der 5. VDI-Konferenz „Lebensdauer und Zuverlässigkeit in der LED-Beleuchtung“ am 29. und 30. Juni 2016, Düsseldorf werden aktuelle Studienergebnisse, Konzepte und Lösungen präsentiert. Das Themenspektrum der 18 Vorträge umfasst dabei: LED-Leuchten - Zuverlässigkeit und Risikobetrachtung, Lebensdauerberechnung von LEDs, Überwachung von Alterungsprozessen und Recycling, Normative Anforderungen sowie Alterung und Langzeitverhalten von LED-Leuchtenkomponenten. Nähere Informationen gibt es unter: www.vdi-wissensforum.de/lebensdauer_led

Ein Team der Technischen Universität Darmstadt untersucht deshalb, wie sich möglichst genaue Vorhersagen zum Verhalten von LED-Leuchten treffen lassen. Für die Untersuchung wurden LEDs zweier Hersteller bereits 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 jeweils auf die Temperatur auf dem Board der gealterten LEDs.

Lichtstrom und Strahlungsfluss als Kriterien der Lebensdauer

Der Standard IES TM-21 (Projection Long Term Lumen Maintenance of LED Light Sources) verwendet den Lichtstrom einer LED-Einheit, eines Package, als Maß für die Alterung. Dabei wird die Lebensdauer der LED als die Zeit definiert, nach der der Lichtstrom auf 70 oder 80% des Anfangswerts abgefallen ist. Der maximale Wert für den Lichtstromerhalt kann bei TM-21 mit 36.000 Stunden, also dem Sechsfachen der üblichen 6000 Stunden Testzeit, angegeben werden. Der Messung des Lichtstroms liegt der V(λ)-Kurve zu Grunde. Diese bewertet spektrale Anteile des Lichts im blauen und roten Bereich nicht so stark wie im gelb-grünen, in dem der Mensch seine maximale Lichtempfindlichkeit besitzt.

Weiße Hochleistungs-LEDs besitzen aufgrund ihrer Chips eine hohe Strahlungsemission im blauen Bereich. Ändert sich nun die spektrale Form des Spektrums über die Zeit, so besteht die Möglichkeit, dass der Lichtstrom diese optische Degradation nur unzuverlässig beschreibt. Die komplette Bandbreite aller spektralen Verschiebungen erhält man über den Strahlungsfluss, der keine spektrale Gewichtung vornimmt. Als Beispiel sind beide Größen für ein LED-Package über 14.000 Stunden aufgetragen. Beide Kurven verhalten sich exponentiell abfallend. Die Werte der Lichtströme liegen jedoch immer oberhalb der Werte des optischen Strahlungsflusses. Die Differenz beider Größen wächst mit der Zeit sogar. Weitere Untersuchungen zeigen, dass sich das Spektrum der LEDs mit ihrer Lebensdauer verschiebt. Bei der hier untersuchten Einheit handelt es sich um eine phosphorkonvertierte LED. Sie weist somit blaue und gelbe Anteile im emittierten Licht auf. Das Verhältnis beider Anteile verändert sich und das zu Gunsten des gelben, konvertierten Anteils. Er wird, wie oben beschrieben, bei der Ermittlung des Lichtstroms stärker gewichtet als der Blauanteil.

Mathematisches Modell beschreibt Degradation der LED

Auch wenn der Lichtstrom die relevante Größe für den Anwender ist, so können dadurch jedoch physikalische Änderungen nicht in der kompletten Bandbreite erkannt werden. Am Ende soll aber ein mathematisches Modell in der Lage sein, die Degradation des LED-Packages zu beschreiben. Im dargestellten Fall führt eine exponentielle Funktion auf eine gute Anpassung der Daten (blaue und rote Linie). Diese ist von der Funktion der TM-21-Methode nur leicht abgeändert, da hier ein Offset ϕE addiert wird:

Von Beginn an zeigt sich ein exponentiell abfallendes Degenerationsverhalten, was nun nach 14.000 Stunden langsam auf einen Grenzwert zusteuert. Ob in den nächsten mehreren Tausend Stunden weitere Fehlermechanismen auftauchen, ist durch die bisherige Analyse nicht vorherzusagen: Eine weite Extrapolation ist mit Hilfe dieser Formel nicht möglich, da sie gegen einen konstanten Wert (ϕE) läuft. Es bleibt deshalb in der Praxis abzuwarten, ob die LED weiterhin diesem Trend folgt und vorerst in eine Art Stabilisierung läuft.

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.

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.

(ID:43982329)