Tipps für den LED-Leuchtenentwickler Keine unerwünschten Verfärbungen bei der LED

Autor / Redakteur: Kai Klimkiewicz * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Der LED-Chip und die dazugehörige Linse bestehen aus einer Phosphor- und Silikon-Umhüllung. Doch können störende Verfärbungen auftreten. Einfache Tests sollen Abhilfe schaffen.

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Einfache Tests gegen Verfärbung: Sowohl der Chip als auch die Linse bei einer LED bestehen aus einer Phosphor- und Silikon-Umhüllung. Hier können ungewünschte Verfärbungen auftreten.
Einfache Tests gegen Verfärbung: Sowohl der Chip als auch die Linse bei einer LED bestehen aus einer Phosphor- und Silikon-Umhüllung. Hier können ungewünschte Verfärbungen auftreten.
(Cree)

Bei den Phosphor- und Silikon-Umhüllungen von LEDs können störende Verfärbungen auftreten. Grund sind häufig inkompatible flüchtige organische Verbindungen. Abhilfe schaffen einfache Tests bei denen Entwickler feststellen, mit welchen Substanzen sich eine Leuchtdiode verträgt. Die meisten LED-Leuchten sind mit Leuchtdioden ausgestattet, die blaues Licht abgeben. Der LED-Chip ist mit einer gelben Phosphor- und Silikon-Umhüllung umgeben. Sie wandelt das blaue Licht in weißes um. Hinzu kommt in vielen Fällen eine Silikon-Linse, welche die Konstruktion überdeckt. Die speziellen Silikon-Polymere, die dabei zum Einsatz kommen, haben folgende Vorteile:

  • eine hohe Lichtdurchlässigkeit,
  • eine hohe Stabilität über einen großen Temperaturbereich hinweg,
  • eine hohe Resistenz gegenüber Gelbverfärbung unter dem Einfluss von ultraviolettem Licht und
  • eine gute Formbarkeit.
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Das Problem mit dem Gelbstich bei einer LED

Allerdings können flüchtige organische Verbindungen, sogenannte Volatile Organic Compounds, VOC, in einem Beleuchtungssystem mit LEDs in die gasdurchlässige Silikonlinse und die Hülle einer LED austreten. In der Molekülstruktur dieser Materialien lagern sich diese Verbindungen an freien Stellen der Silikon-Polymere ab. Das kann unerwünschte Folgen haben: Die hohe Photonen-Energie der LED in Verbindung mit der Wärmeentwicklung im Beleuchtungssystem und der Umgebung führen unter Umständen zu einer Verfärbung der flüchtigen organischen Verbindungen. Das wiederum reduziert die Lichtmenge, die eine LED-Leuchte abgibt.

Solche Verfärbungen treten vorzugsweise bei LEDs auf, die Licht in den Farben blau, königsblau und weiß produzieren und zudem mit LED-Chips mit blauer Wellenlänge ausgestattet sind. Eine weitere Voraussetzung ist, dass gelbe Phosphor-Materialien für das Konvertieren der Wellenlängen verwendet werden. Das Phänomen ist bei Leuchtdioden aller Hersteller zu beobachten. Nicht betroffen sind LEDs, die Licht längerer Wellenlänge ausstrahlen, etwa gelb, rot und grün. Bei diesen Leuchtdioden fällt eine niedrigere Photonen-Energie an.

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Die Photonen-Energie (E) wird mithilfe folgender Formel ermittelt: E = h x f. Dabei steht h für die Planck-Konstante und f für die Lichtfrequenz. Je höher f, desto größer die Photonen-Energie.

Das Bild 2 zeigt, wie sich die Gelbverfärbung auswirkt. Anfangs gibt beispielsweise eine Leuchte auf Basis der XLamp XR-E LED von Cree ein Licht mit hohem Weiß-Anteil ab (links). Durch den Einfluss von VOC ist bereits nach 100 Stunden eine deutliche Verschiebung in Richtung Gelb zu erkennen (rechts). Der Einsatz ungeeigneter flüchtiger organischer Substanzen kann nicht nur den Farbort einer Leuchtdiode verfälschen, sondern zum Ausfall einer Leuchte führen.

Allerdings führen die Verfärbungen der Umhüllung oder der Linse durch VOCs im Normalfall nicht zu bleibenden Schäden am LED-Chip. In vielen Fällen lässt sich eine solche Leuchte innerhalb weniger Betriebsstunden wiederherstellen. Dazu wird entweder die Sekundäroptik entfernt oder die Belüftung verbessert. Allerdings bleibt die Verfärbung bestehen, solange die Silikon-Polymere dem Einfluss der falschen VOC ausgesetzt sind.

Tests in unterschiedlichen Umgebungen

Die Verfärbung der Umhüllung wird durch die Wärmentwicklung, die Lichtenergie und die Wellenlänge beeinflusst. Besonders stark fällt sie an der Oberseite des LED-Chips aus, also dort, wo die Hitzeentwicklung und der Lichtstrom am intensivsten auf die Ummantelung einwirken. Fachleute von Cree haben Tests mit unterschiedlichen VOC-Materialien durchgeführt. Sie setzten dazu drei Sets mit jeweils zehn LEDs, das waren insgesamt 30 LEDs, 450 Stunden lang einer flüchtigen organischen Verbindung aus. Anschließend prüften die Ingenieure ebenfalls 450 Stunden lang in drei unterschiedlichen Testumgebungen den Lichtstrom.

Zehn LEDs wurden in einer offenen Umgebung verwendet, zehn weitere in einem System mit einer versiegelten Sekundäroptik. Bei der dritten Gruppe kam zunächst eine versiegelte Umgebung zum Zuge. Nach 325 Stunden wurde der Systemaufbau belüftet. Bei der ersten, offenen Testgruppe war keine Abnahme des Lichtstroms von 100 Lumen zu verzeichnen. Die LEDs im geschlossenen Systemaufbau hatten nach 450 Stunden 90 Prozent ihrer Lichtleistung verloren. Bei der dritten Gruppe trat zunächst derselbe Effekt auf. Doch nachdem die LEDs nicht mehr der VOC ausgesetzt waren, erholte sich die Lichtleistung vollständig.

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Tipps bei der Auswahl der passenden Materialien

Um negative Effekte durch chemische Substanzen zu vermeiden, ist es empfehlenswert, bereits im Vorfeld alle Materialien zu testen, die in einer LED-Leuchte zum Einsatz kommen und ausgasen können. Das gilt auch für Lötpasten und Rückstände von Substanzen wie Maschinenöl. Selbst FR-4-Leiterplatten können bei höheren Temperaturen Stoffe an die Umwelt abgeben. Bei den meisten Materialien erfolgt das beim Aushärten, etwa bei Klebemitteln, Beschichtungen und Vergussmassen. Deshalb sind die passenden Materialien für die Performance einer LED-Leuchte ebenso wichtig wie der Kühlkörper, die Treiberelektronik und die optischen Komponenten.

Der erste Schritt besteht darin, in der Dokumentation für die LED die Liste der Stoffe zu analysieren, die der Hersteller für das betreffende Modell als unbedenklich spezifiziert hat. Zu den problematischen Materialien zählen beispielsweise Methylacetate, Formaldehyd und Glykolether. Sind bestimmte Materialien in solchen Listen nicht aufgeführt, sollten Entwickler von LED-Leuchten Tests durchführen.

Generell sollte kein Material in Erwägung gezogen werden, das nicht vom LED-Hersteller oder dem Lieferanten der Komponenten freigegeben wurde. Auch bei freigegebenen Stoffen, etwa Beschichtungen von Leiterplatten, ist Umsicht angesagt. So sollten diese Materialien nicht direkt mit der LED-Linse in Kontakt kommen. Das kann die optischen Eigenschaften und Haltbarkeit der Leuchtdiode beeinträchtigen. Es kann auch dann zur Verfärbung von Leuchtdioden kommen, wenn diese nicht in einer versiegelten Umgebung eingesetzt werden.

Eine Gefahrenquelle sind Dichtungsringe. Um festzustellen, ob solche Ringe ausgasen, lässt sich folgender Test durchführen: Die Komponenten der Leuchte werden über Nacht auf einem weißen Blatt Papier platziert. Zeigen sich darauf am nächsten Morgen runde Abdrücke, ist das Indiz dafür, dass aus den O-Ringen Chemikalien ausgetreten sind. Solche Effekte lassen sich ausschließen, wenn die verwendeten Materialien auf chemische Kompatibilität getestet werden. Diese Untersuchung sollten folgende Komponenten mit einbeziehen: Dichtungen, Klebstoffe, Beschichtungen, Lötpasten und alle Chemikalien, die in der Nähe einer LED-Linse verbaut werden.

Die verschiedenen Tests im Detail betrachtet

LED-Hersteller wie Cree stellen Entwicklern zu diesem Zweck über ihre Händler Test-Kits zur Verfügung. Sie bestehen aus einer Leiterplatte mit Metallkern (Metal-Core Printed Circuit Board = MCPCB) mit sechs LEDs sowie Glasbehältern und Klebstoff. Damit lässt sich eine Testumgebung aufbauen, die von der Umgebungsluft separiert ist. Cree stellt beispielsweise Test-Kits bereit, die sich mit LEDs der Reihe XLamp XP-E oder XR-E oder MX-6 bestücken lassen. Zusätzlich steht ein PCB zur Verfügung, auf dem alle drei LED-Serien vorhanden sind. Bestimmte Test-Kits sind bereits mit LEDs bestückt. Hinzu kommen Arctic Silver und ein Wärmeleitkleber. Beide Stoffe lassen sich nachweislich ohne Probleme in der Nähe von High-Power-LEDs einsetzen.

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Bei den Tests wird der Stoff, der untersucht werden soll, auf die Spitze von drei Test-LEDs aufgebracht, zudem an der Basis von zwei weiteren Leuchtdioden. Diese LEDs werden mithilfe der Glaskuppeln und des Arctic Silver von der Umgebungsluft abgeschirmt. Zum Vergleich wird eine weitere LED herangezogen, die nicht den chemischen Materialien ausgesetzt ist. Die Stromversorgung übernimmt eine Konstantstromquelle. Der Treiberstrom variiert je nach Art der Komponente. So beträgt er bei etwa 700 mA bei den XP-E und XR-E LEDs und 350 mA bei den MX-6 Leuchtdioden.

Ein Test dauert um die 1000 Stunden. Erfasst werden Änderungen der Lichtintensität und der Farbe. Außerdem erfolgt eine Bewertung des äußeren Erscheinungsbildes der Phosphor-Schicht. Oft zeigt sich bereits nach einer Testdauer von 48 Stunden, ob sich eine flüchtige Substanz für ein LED-Beleuchtungssystem eignet. Es empfiehlt sich, vor Beginn und nach Abschluss der Tests Fotos von den LEDs zu machen. So werden Veränderungen an den Leuchtdioden transparenter.

Kleine Änderungen der Farbe und Lichtintensität lassen sich nur schwer erkennen, wenn LEDs mit 350 oder 750 mA betrieben werden. Der Grund ist die hohe Lichtmenge. Daher sollte der Treiberstrom auf 1 mA reduziert werden. Dann kann der Fachmann die LED mit bloßem Auge überprüfen, vor allem die Silikonummantelung und die Phosphor-Bestandteile sowie den Zustand des Chips.

Treten im Lauf des Tests Verfärbungen der Ummantelung der LED auf, ist folgende Vorgehensweise hilfreich: Die Glashaube entfernen, den Test fortsetzen und prüfen, ob die Verfärbung zurückgeht. Mit dieser Methode können Entwickler die Verträglichkeit von chemischen Substanzen bei LED-Leuchten prüfen, bei denen die Leuchtdiode nicht in einer versiegelten Umgebung montiert wird.

Bessere Zusammenarbeit bei Kompatibilitätstests

Über die Jahre hat Cree das Verfahren der Kompatibilitätstests in Zusammenarbeit mit seinen Partnerunternehmen optimiert. Ursprünglich wurden intern verschiedenste Materialien getestet und auf dieser Basis entsprechende Empfehlungslisten erstellt, die auch auf Kundenreferenzen verwiesen. Damit konnte allerdings nur ein marginaler Anteil der am Markt verfügbaren Materialien abgedeckt werden. Außerdem bestand die Möglichkeit, dass die Hersteller Materialien austauschen, was gegebenenfalls zu anderen Testergebnissen geführt hätte.

Um das zu vermeiden, setzt Cree auf ein Netzwerk aus hochkarätigen Herstellern chemischer Komponenten, das im Rahmen des unternehmensinternen CSP-Programms (Cree Solution Partners) initiiert wurde. Die Partner testen ihre Produkte im Zusammenspiel mit den Komponenten von Cree und können so deren Kompatibilität offiziell bestätigen. Im Gegenzug verweist der Hersteller seine Kunden bei der Wahl der benötigten Komponenten auf die Partner.

* Kai Klimkiewicz arbeitet als Field Application Engineer Central Europe bei Cree.

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