Паразитное свечение светодиодов

Содержание

Отказы светодиодов и методы их анализа

Паразитное свечение светодиодов

8 ноября

Кристалл светодиода представляет собой полупроводник, в котором свет генерируется в области p-n-перехода при электронно-дырочной рекомбинации. Активная зона является сложной структурой, состоящей из эпитаксиальных слоев. Для генерации различного цвета используются разные комбинации материалов: для получения красного цвета — InAlGaP; голубого — InGaN; инфракрасного излучения — GaAlAs; ультрафиолета — AlGaN. Материал и свойства эпитаксиальных слоев, по сути, определяют эффективность генерируемого света. Основные компоненты светодиода на плате представлены на рисунке 1.

К основным параметрам светодиода относятся ток и температура Tj внутри активного слоя. Оба этих параметра определяют потребление энергии и цвет излучения, а также срок службы изделия.

На рынке предлагаются светодиоды, изготовленные по разным технологиям. Необходимое условие работы светодиода — устойчивое прохождение тока через паяное и клеевое соединения, достаточное охлаждение кристалла с помощью хорошего теплового контакта с окружающей средой или теплоотвода, а также хорошее извлечение света из кристалла с помощью оптических элементов и отражателей.

Как правило, светодиоды заключаются в оболочку из прозрачного материала (силиконовая или эпоксидная смолы). Для реализации белого свечения наносится такой вид люминофора, который преобразует голубое излучение светодиодов в излучение с широким спектром, который близок к спектру белого света.

Режимы отказа светодиодов

Дефекты светодиодов условно относятся к следующим категориям: кристалл как центральный элемент, а также внутренняя и внешняя структуры. Мы рассмотрим ряд механизмов отказа светодиодов, которые соответствуют разным технологиям сборки, типам конструкций, а также приложениям.

Тип отказа: кристалл

В условиях нормальной работы оптические характеристики светодиодов, как правило, ухудшаются со временем, т.е. у светодиодов ограниченный срок службы. Ухудшение характеристик вызвано появлением дефектов в эпитаксиальных слоях или на их границах, что приводит к увеличению доли безызлучательной рекомбинации и снижению оптической эффективности. Как правило, 30—50% ухудшения оптических характеристик определяется как дефект, а ожидаемый эксплуатационный ресурс составляет 20—100 тыс. ч.

Старение светодиодов, вызванное ростом дефектов, в значительной мере зависит от температуры перехода Tj и тока. Следовательно, необходимо контролировать эти параметры, чтобы светодиод прослужил ожидаемое время. Ускоренное старение, т.е.

уменьшение светоотдачи в течение определенного периода времени ниже ожидаемого, вызвано такими негативными факторами как низкое качество эпитаксиальных слоев, а также более высокая температура перехода из-за недостаточно хорошего рассеяния тепла.

Более того, проникновение влаги или других загрязняющих веществ, разрушения, вызываемые электростатическим зарядом, а также нестабильным источником питания, ускоряют деградацию эпитаксиальных слоев.

Тип отказа: внутренняя конструкция светодиода

Затрудненное прохождение тока из-за роста электрического сопротивления часто становятся причинами, приводящими к уменьшению светового потока, временной нестабильности или даже к полному отказу. Наблюдается также расслоение перехода между кристаллом и проволочным соединением. Поскольку площадь поверхности раздела между кристаллом и подложкой довольно-таки существенно влияет на рассеяние тепла, разрушение промежуточного слоя приводит к увеличению теплового сопротивления и температуры кристалла, что также ускоряет старение светодиода.

Технология производства светодиодов является источником многих отказов. Процесс пайки в этом отношении особенно важен, т.к. тепловая перегрузка может привести к появлению трещин, отсоединению или отслоению материалов вдоль границ поверхностей из-за различия в коэффициентах расширения. Основой создания кристаллов с продолжительным сроком службы являются проверка соответствия изделия техническим условиям и контроль качества на производстве, а также хороший контроль процесса пайки во время монтажа компонентов.

Такие прозрачные герметизирующие материалы как силиконовая или эпоксидная смолы не являются герметичной изоляцией и, следовательно, не защищают от водяных паров или других разрушающих веществ. Более того, механическое напряжение, например, при изгибе выводов светодиода или термическое напряжение во время пайки может привести к образованию трещин или отделению компаунда, а также к проникновению загрязняющих веществ в кристалл или металлический контакт. При неблагоприятных условиях это приводит к изменению структуры эпитаксиальных слоев или к разрушению поверхностей их раздела (см. рис. 2).

Другими типовыми механизмами, снижающими срок службы светодиодов, являются старение герметизирующих материалов под воздействием ультрафиолетового излучения или деградация люминофора белых светодиодов, что также сказывается на изменении цвета белых светодиодов (пожелтение). Этот эффект имеет большее воздействие, чем регулярное старение кристалла.

Тип отказа: монтаж светодиодов на плату

При интеграции светодиодов на печатную плату следует учитывать такие источники отказа как сбой в работе электрических соединений, вызванный плохими паяными контактами. На деградации источников света, особенно мощных светодиодов, сказываются тепловой контакт и рассеяние тепла. Монтаж должен обеспечить устойчивый тепловой контакт в течение всего срока службы.

Поскольку содержащаяся в светодиодах влага может привести, особенно в процессе пайки, к возникновению т.н. «эффекта поп-корна», следует принять меры по обеспечению влагонепроницаемости. В некоторых приложениях светодиоды снаружи покрывают защитным лаком или герметиком. Механическое или термическое напряжение, воздействующее на внутреннюю структуру светодиода, а также взаимодействие этой структуры с дегазованными материалами могут вызвать ее разрушение.

Методы анализа

Светодиоды характеризуются большим количеством разнотипных отказов, которые устраняются с помощью разных аналитических методов. Цель анализа отказов — связать известную модель сбоя с возможной причиной его возникновения, а затем найти способ устранения.

Методы поиска ошибок

– Вопросы: в каких условиях эксплуатировался светодиодный модуль? Как долго? В каком режиме управления?

– Измерения: вольт-амперная характеристика (см. рис. 3); интенсивность света; длина волны/цвет; характеристики излучения.

– Неразрушающий анализ: рентгеноскопия (см. рис. 4); оптическая микроскопия и акустическая микроскопия.

– Разрушающие методы: послойный анализ; вскрытие корпуса.

– Физический анализ: FIB/REM, OBIRCH, эмиссионная микроскопия, EBIC, катодолюминесценция.

Для того чтобы ограничить объемы исследований, необходимо создать эффективную методологию анализа, опирающуюся на полученную информацию о причинах отказа.

Визуальный контроль с помощью светолучевой микроскопии

Визуальная инспекция дает сведения о внешней конструкции, внешней целостности светодиодного модуля и доступных частях внутренней конструкции.

Измерение оптоэлектрических параметров

Важными оптоэлектрическими параметрами являются оптическая мощность, спектр и вольт-амперная характеристика.

Характеристики излучения в дальнем и ближнем поле обнаруживают неоднородность светоизлучающей зоны. Измерение теплового сопротивления свидетельствуют о проблемах с тепловой развязкой. Повышенное напряжение в прямом направлении указывает на нарушение в прохождении тока. Увеличение тока утечки при обратном смещении говорит о серьезных нарушениях в эпитаксиальных слоях. Сравнение ВАХ отказавших светодиодов (см. рис. 5) и тех, что продолжают работать, позволяет выявить причины сбоя.

Высокоточные методы оптической микроскопии позволяют обнаружить нарушения структур на поверхностях раздела между слоями. В ходе рентгеноспектрального электронно-зондового микроанализа определяются эффекты разрушения слоев, и дается оценка возможных причин коррозии.

Другие неразрушающие методы

В силу того, что светодиоды, как правило, устанавливаются в пластиковые корпуса, отделение соединительного провода от кристалла светодиода можно определить с помощью рентгеновского микроскопа (см. рис. 6). Чтобы обнаружить расслоение поверхностной границы, используется также акустическая микроскопия.

Разрушающие физические методы

Для установления причин отказа в светодиоде требуется прямой доступ к внутренним элементам — кристаллу (см. рис. 7) или к границе раздела между выводом и контактной площадкой (см. рис. 8). Кроме того, с этой целью применяется послойный анализ иди удаление герметизирующих материалов с помощью химических растворителей.

Анализ причин отказа на уровне кристалла

Для установления причин отказа на уровне кристалла существуют методы обнаружения на нем дефектных зон — темных пятен или линий. Такие методы основаны на локальной стимуляции эмиссии света (катодолюминесценции) или возникновении тока под воздействием направленного на кристалл внешнего электронного пучка (EBIC — Electron Beam-Induced Current) либо лазерного пучка (OBIC — Optical Beam-Induced Current).

Такие специальные методы как TEM (Transmission Electron Microscopy — просвечивающая электронная микроскопия) и подготовка образца с помощью FIB (Focused Ion Beam — сфокусированный ионный пучок) требуются для более глубокого анализа причин отказов в эпитаксиальных слоях. Для оценки полученных результатов необходима возможность сравнения с уже известными моделями ошибок и образцовые модели, поскольку дефектные структуры внутри полупроводника в большой степени зависят от применяемой технологии. Предлагаемые методы очень дорогостоящи и используются только в особых случаях.

Выводы

Светодиоды обеспечивают высокую надежность, но она зависит от технологии их изготовления и требований приложения. В статье изложены типичные механизмы отказа, методы анализа, а также способы предотвращения возможных отказов. Хорошее понимание типичных условий возникновения отказа позволяет создать высоконадежные светодиодные изделия.

Разработчики должны не только обладать системны подходом, помогающим избежать этих отказов, но и уметь применять соответствующие методы анализа, интерпретировать модели ошибок и, что очень важно, принимать меры для предотвращения подобных проблем.

Читайте также  Доработка реле поворотов под светодиоды

Источник: http://www.russianelectronics.ru/review/2327/doc/53567/

Паразитное свечение светодиодов

Паразитное свечение светодиодов

Во всех наших статьях мы стараемся доносить информацию до читателей и покупателей магазина в максимально доступной форме, старательно избегая малопонятных обывателю терминов и описания физико-химических процессов. Так мы попробуем поступить и сейчас, поскольку, подкованные в научных дисциплинах читатели без труда смогут найти в Интернете информацию по данной теме на гораздо более научном языке.

Что такое светодиод?

Светодиод — это полупроводниковый прибор, трансформирующий электроток в видимое свечение. У светодиода есть общепринятая аббревиатура — LED (light-emitting diode), что в дословном переводе на русский язык означает «светоизлучающий диод».

Светодиод состоит из полупроводникового кристалла (чип) на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Непосредственно излучение света происходит от этого кристала, а цвет видимого излучения зависит от его материала и различных добавок.

 Как правило, в корпусе светодиода находится один кристалл, но при необходимости повышения мощности светодиода или для излучения разных цветов возможна установка нескольких кристаллов.

В светодиоде, в отличие от привычной лампы накаливания или люминесцентной лампы (ее еще называют «энергосберегающей»), электроток трансформируется в видимый свет. В теории, такое преобразование можно выполнить вообще без, так называемых, «паразитных» потерь электроэнергии на нагрев.

Это связано с тем, что при грамотно спроектированном теплоотводе светодиод нагревается очень слабо. Светодиод излучает свет в узком спектре, его цвет «чист», что особенно ценно применительно к дизайнерскому освещению. Ультрафиолетовые и инфракрасные излучения, как правило, отсутствуют.

История развития светодиода

В 1907 году британский инженер-экспериментатор Генри Джозеф Раунд (на фото слева) впервые обнаружил едва заметное излучение, испускаемое карбидокремниевыми кристаллами, вследствие неизвестных в то время электронных превращений.

В 1923 году в Нижнем Новгороде, молодой российский ученый Олег Лосев (на фото справа) также зафиксировал это свечение при проведении радиотехнических лабораторных опытов с полупроводниковыми детекторами, но интенсивность обнаруженных свечений была крайне низкой и Российское научное сообщество не придало этому событию должного значения.

 Через несколько лет Олег Лосев провел целенаправленные исследования этого феномена и углублялся в их изучение вплоть до своей смерти — Олег Лосев ушел из жизни в блокадном Ленинграде зимой 1942 года в возрасте 38 лет. До начала войны Олег Лосев активно публиковал результаты своих изысканий в немецкий научных изданиях, где открытый им эффект посчитали сенсационным и назвали его именем ученого — «Losev Licht».

Природа этого излучения окончательно стала понятна только в 1948 после изобретения транзистора и появления теории «p-n-перехода», являющейся научной основой функционирования известных ныне полупроводников. 

В 1962 году группа ученых из Университета Иллинойса (США), которой руководил Ник Холоньяк (на фото слева), продемонстрировала работу первого светодиода, что стало знаковым событием и именно этот момент многие специалисты считают открытием привычного нам светодиода. В этом же году Ник Холоньяк создал первые «красные» светодиоды, которые уже можно было применять в промышленности. 

В 1972 были открыты полупроводниковые излучатели зеленого и желтого цвета. Их яркость постепенно увеличивалась и в 1990 году уже составляла 1 люмен.

Суджи Накамура (на фото справа) — инженер малоизвестной тогда японской фирмы Nichia (Ничиа) в 1993 году получил первый синий сверхъяркий светодиод. После этого, почти моментально были созданы светодиодные RGB (Red-Green-Blue) устройства, поскольку эти три цвета (зеленый, синий, красный) в своем сочетании сделали возможным создать любой цвет, даже белый. Этот момент стал настоящим прорывом и первые светодиоды белого цвета «увидели свет» в 1996 г., что явилось сильнейшим толчком к развитию отрасли.

К 2005 году яркость светодиода достигла значения 100 лм/Вт и продолжает увеличиваться. Были сконструированы так-называемые многоцветные светодиоды, а повышение яркости и надежности всех компонентов светодиодных ламп позволило начать конкуренцию с энергосберегающими (люминесцентными) и лампами накаливания. У нас есть интересная статья на эту тему, где сравниваются разные типы ламп.

С 2008-2009 годов стартовало активное применение светодиодных источников света в бытовых светильниках и чуть позднее с ростом светоотдачи — в уличном освещении. В 2012-2013 годах из-за многократного роста объемов производства их стоимость начала снижаться, что привело к стремительному повышению интереса со стороны потребителей.
 

Яркость светодиода

Яркость светодиода зависит от силы тока (измеряемой в амперах), который через него проходит. Однако, силу тока нельзя увеличивать без ограничений, так как кристалл перегреется и выйдет из строя. Именно по этой причине конструкция светодиодных ламп относительно сложна и дорога в производстве.

 Но прогресс не стоит на месте и ежегодно ведущие производители светодиодов добиваются роста светового потока своих светодиодов на 20-30%, что с точки зрения скорости прогресса, весьма впечатляющие цифры. Постоянному совершенствованию подвергаются конструкции и материалы элементов светодиодных ламп.

По силе света светодиоды делятся на три основные группы:— светодиоды ультравысокой яркости, мощностью от 1W (Ultra-high brightness LEDs) – сотни канделл;- светодиоды высокой яркости, мощностью до 20 mW (High brightness LEDs) – сотни и тысячи милликанделл;

— светодиоды стандартной яркости (Standard brightness LEDs) – десятки милликанделл.

Яркость свечения светодиодов очень хорошо поддается регулированию или «диммированию» при использовании так называемого метода широтно-импульсной модуляции, для чего необходим специальный управляющий блок, встроенный в лампу.

Однако, на сегодняшний день (2013-2014 года) не все продаваемые светодиодные лампы диммируются, что делает их немного дешевле и этот момент надо учитывать при покупке.

Именно поэтому, перед приобретением светодиодных ламп мы настоятельно рекомендуем прочитать нашу статью «Как выбрать светодиодную лампу».
 

Основные типы светодиодов

Существует два основных типа светодиодов: индикаторные и осветительные.

Индикаторные светодиоды — не яркие, маломощные и оттого дешевые в производстве светодиоды, используемые в качестве световых индикаторов в различных электронных приборах, подсветке дисплеев компьютеров, ЖК-телевизоров, приборных панелей автомобиля и многих других устройств.

Осветительные светодиоды отличаются высокой мощностью и яркостью, что позволяет использовать их в производстве бытовых и промышленных лампах и светильниках.

Исторически из-за небольшой яркости и мощности светодиоды применялись только для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать светодиоды с белым светом, что, как мы писали выше, произошло только в 90-х годах двадцатого века, а также значительно увеличить светоотдачу, чего в свою очередь, удалось добиться только в двухтысячных годах.
 

Долговечность и старение светодиодов

Светодиод механически прочен и надежен — даже при нынешнем развитии технологий, его срок эксплуатации в системе освещения теоретически может достигать ста тысяч часов, что примерно в 100 раз больше среднего срока эксплуатации обычной лампы накаливания и примерно в 10 раз больше, чем у энергосберегающих (люминесцентных) ламп.

Источник: https://1000eletric.com/parazitnoe-svechenie-svetodiodov/

Светодиоды-долгожители: правда или мистификация?

Паразитное свечение светодиодов

27 декабря 2010

В Интернете по разным сайтам гуляет «конспирологическая» версия, что срок службы обычной лампы накаливания якобы специально ограничен значением 1000 часов из-за состоявшегося в 20-х годах прошлого века картельного сговора крупнейших производителей ламп.

Конечно, любой специалист понимает, что «лампочка Ильича» имеет такой срок службы из-за принципа действия, и никто время ее работы специально не ограничивает. И все-таки своих сторонников такая «теория заговора» имеет. Они, наверное, придут в ужас, узнав, сколь долгую жизнь обещают своим детищам производители светодиодных светильников.

Небольшие малоизвестные фирмы без лишних реверансов указывают время службы светильника 100000 часов. Другие ограничиваются более скромными цифрами — всего 35000 часов. Можно ли верить этим данным?

Обычно под сроком службы понимают время, которое устройство работает до момента выхода из строя, причем это не обязательно полная неработоспособность, а падение характеристик ниже определенного уровня.

При оценке срока службы светодиодов момент выхода их из строя определяется как снижение светового потока ниже определенного процента от номинального значения. И здесь уже начинаются разночтения между разными компаниями. Одни производители считают таким порогом снижение светового потока на 30% от номинального значения, другие — на 50%.

Указанные данные, как правило, не сообщаются в рекламных материалах, да и в документации к светильникам зачастую тоже, что не позволяет покупателю сделать правильный выбор.

Мастера экстраполяции

Даже если ситуация с порогом снижения светового потока ясна, это еще не значит, что вы получили достоверную информацию о продолжительности работы светодиодов. Наиболее распространенное значение срока службы, которое указывается в рекламных материалах — 50000 часов, т.е. 5 лет и 8 месяцев. Естественно, никто столь долго новый тип светодиода испытывать не будет.

События на светодиодном рынке развиваются так быстро, что за указанное время светодиод уже снимут с производства и вместо него запустят новый тип.

Поэтому проводят испытания светодиода, наблюдают за процессами его старения в экстремальных условиях (сила тока и температура кристалла находятся на пределе допустимых значений) в течение относительно короткого промежутка времени, а потом экстраполируют зависимость на больший временной интервал уже для нормальных условий эксплуатации.

Наиболее часто для определения рабочего ресурса светодиодов используют модель Аррхениуса. В общем виде она описывает не только полупроводниковую светотехнику, но и многие процессы в химии и биологии. Модель показывает, насколько ускоряются химические реакции, в том числе процессы деградации в кристалле, при повышении температуры.

Читайте также  Чем паять светодиоды?

λ2 = λ1exp[Ea(1/T1 — 1/T2)/k],

где λ1 — интенсивность отказов при температуре T1; λ2 — интенсивность отказов при температуре T2; T1 и T2 — температуры p-n-перехода, выраженные в градусах Кельвина, Ea — энергия активации, выраженная в эВ (в полупроводниках равна ширине запрещенной зоны), k — постоянная Больцмана, равная 8,617×10-5 эВ/К.

Зная ширину запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлен кристалл, а также интенсивность отказов при повышенной температуре, можно определить интенсивность отказов при нормальной температуре, используя модель Аррхениуса. Средняя наработка на отказ является величиной, обратной интенсивности отказов. На рис. 1 показан график зависимости срока службы от температуры для различных типов светодиодов производства компании Seoul Semiconductor, полученный путем экстраполяции результатов испытаний при повышенной температуре.

Рис. 1. Зависимость срока службы от температуры для различных типов светодиодов

Единого международного стандарта, который бы описывал тестирование светодиодов в экстремальных условиях с последующей экстраполяцией результатов, не существует. Тем не менее, в США есть организация JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council — объединенный инженерный совет по электронным устройствам), разрабатывающая стандарты JESD.

Некоторые производители светодиодов, например Cree, пользуются стандартом JESD22 для тестирования светодиодов (см. таблицу 1). Светодиоды испытываются при максимально допустимом токе, продолжительность указанных тестов составляет 1008 часов (42 суток).

Критериями выхода светодиода из строя во всех приведенных в таблице испытаниях являются: изменение напряжения смещения более чем на 200 мВ, снижение светового потока более чем на 15%, короткое замыкание, разрыв цепи. Если наблюдается хотя бы одно из указанных явлений, светодиод считается вышедшим из строя.

Таблица 1. Некоторые виды тестов надежности, используемых компанией Сree

Вид теста Стандарт Параметры окружающей среды Подача тока
Работа при комнатной температуре JESD22, метод A108-C Температура 45°С, Постоянно
Работа при повышенной температуре JESD22, метод A108-C Температура 85°С, Постоянно
Работа в условиях повышенной температуры и повышенной влажности Собственная методика Температура 60°С,относительная влажность 90%, Чередование: 1 час подается,1 час не подается
Работа при пониженной температуре JESD22, метод A108-C Температура -40°С, Постоянно

Современные методики позволяют с высокой точностью предсказывать срок службы устройства, но никто не может дать полной гарантии, что теория и практика сойдутся.

На срок службы светодиода влияют следующие факторы:

  • Деградация кристалла;
  • Старение люминофора;
  • Механические деформации, внутренние напряжения в корпусе и т.п.;
  • Помутнение первичной оптики.

Деградация кристалла

Напомним, что светодиод белого свечения, как правило, представляет собой кристалл, излучающий синий цвет, который покрыт люминофором. Благодаря суммированию собственного излучения кристалла с индуцированным им излучением люминофора получается свет, воспринимаемый зрением, как белый. Применительно к светодиодом надо различать температуру, измеренную в разных точках: TB — монтажная плата, TS — подложка, TJ — p-n-переход, TA — окружающая среда (рис. 2).

Рис. 2. Температура светодиода, измеренная в разных точках

Деградация кристалла приводит к снижению мощности излучения. Одна из причин — рост количества дефектов кристаллической решетки. Области кристалла, где появились дефекты, не излучают свет, но при этом генерируют тепло.

Другая причина — электрическая миграция материала, из которого сделаны электроды, приваренные к кристаллу. В кристалл проникают атомы металлов, из которых сделаны электроды, и нарушают кристаллическую структуру.

При деградации кристалла возрастает ток утечки, то есть значительная часть тока начинает проходить не через те участки кристалла, которые излучают свет. В результате уменьшается напряжение на электродах светодиода, а значит, уменьшается мощность. Деградация кристалла проявляет себя также снижением напряжения на светодиоде. Эта особенность используется для автоматического отключения вышедшего из строя светодиода.

Следует различать максимальную рабочую температуру светодиода и максимально допустимую температуру p-n-перехода (если очень упростить ситуацию, то речь идет о температуре внутри кристалла). Срок службы светодиода определяется температурой p-n-перехода. Но поскольку эту температуру можно измерить только в лабораторных условиях с применением сложных и дорогостоящих методов, при проектировании используются математические методы, позволяющие связать ее с температурой в тех или иных точках корпуса светодиода.

Скорость деградации светодиода значительно увеличивается при повышении силы тока свыше номинального значения, а также при повышении температуры. По мнению некоторых специалистов к возникновению дефектов в кристаллической решетке может привести действие статического электричества, поэтому рекомендуется осуществлять монтаж светодиодов с соблюдением стандартных мер по защите от статического электричества.

Деградация люминофора

В светодиоде деградация люминофора определяется в основном температурой. Ведь люминофор обычно наносят непосредственно на кристалл, который довольно сильно нагревается. Остальные факторы воздействия на люминофор не так значимы. Для эффективного теплоотвода необходимо обеспечить доступ воздуха к радиатору, например, как у Mini 300 LED компании Royal Philips Electronics (рис. 3.).

Рис. 3. Mini 300 LED компании Royal Philips Electronics

Деградация люминофора приводит не только к уменьшению яркости светодиода, но и к изменению оттенка его свечения. При сильной деградации люминофора хорошо заметен синий оттенок свечения. Это связано как с изменением свойств люминофора, так и с тем, что в спектре начинает доминировать собственное излучение кристалла.

Механические повреждения

Некачественные паяные соединения могут со временем разрушаться, что приведет к разрыву цепи. Если разрушилось паяное соединение кристалла с теплоотводящей подложкой или даже уменьшилась площадь контакта, то это приводит к ускорению деградации кристалла.

Причиной разрушения соединения, а также разрыва тонких проводников, ведущих к кристаллу, могут быть внутренние механические напряжения в пластмассе. Они возникают как в результате нарушения технологии производства, так и в процессе эксплуатации светодиода при температуре, превышающей максимально допустимое значение. В светильниках Philips CitySoul (рис. 4) используется активная система охлаждения на основе вентилятора.

Рис. 4. Светильник CitySoul компании Royal Philips Electronics

Для повышения надежности светодиодов в последнее время кристаллы стали заливать эластичным прозрачным силиконом. Механические напряжения в этом материале равномерно распределяются, что практически исключает возможность разрушения соединения проводников и кристалла.

Помутнение первичной оптики

Первичная оптика светодиодов (т.е. оптическая система, непосредственно встроенная в конструкцию) изготавливается из пластмассы или силикона. Помутнение этих материалов может быть связано с действием ультрафиолета. В светодиодах белого свечения, построенных на базе ультрафиолетовых светодиодов, покрытых трехцветным люминофором, такая проблема действительно есть. Но пока подобные светодиоды не получили широкого распространения.

В белых светодиодах на базе кристаллов синего свечения помутнение первичной оптики может опять-таки быть вызвано сильным перегревом. Следует отметить, что многие современные типы светодиодов вообще не имеют первичной оптики (рис. 5).

Рис. 5. Светодиоды без первичной оптики

Срок службы всего светильника

В рекламных материалах производители светильников зачастую указывают именно срок службы светодиодов в нормальных условиях. Но в светильнике из-за перегрева светодиоды могут работать меньше заявленного производителем срока. К тому же, кроме светодиодов, срок службы светильника определяется долговечностью драйвера (блока питания) и вторичной оптики. Для эффективного теплоотвода в светодиодных светильниках используется ребристый алюминиевый профиль (рис. 6).

Рис. 6. Светильник Color Graze компании Royal Philips Electronics

Линзы вторичной оптики в светодиодных светильниках обычно изготавливается из пластмассы, которая со временем мутнеет. Отражатели зачастую делают из пластмассы, покрытой тонким слоем металла. Здесь может возникнуть эффект потускнения металлической поверхности. Указанные проблемы решаются путем использования современных материалов, а также герметизацией корпуса светильника.

Для длительной работы светодиодов также важны стабильность напряжения питания и силы тока, которые дает драйвер, а также его устойчивость к всплескам сетевого напряжения. Современная элементная база позволяет создавать блоки питания со сроком службы 50000 часов и более. Но может оказаться и так, что ресурс блока питания меньше, чем у светодиодов.

Если светодиод питать током, сила которого больше номинального значения, то можно значительно увеличить его яркость, чем успешно пользуются недобросовестные производители светильников. Обратной стороной такого подхода становится преждевременный выход из строя светодиодов.

При «разгоне» светодиодов можно увеличить срок службы посредством более сильного охлаждения кристалла, чем при нормальном режиме работы. Однако надо понимать, что даже при обеспечении нормального теплового режима срок службы светодиодов при «разгоне» все равно снижается, поскольку одной из причин деградации кристаллов является превышение максимально допустимого значения тока.

Заключение

Срок службы светильника определяется не только качеством используемых светодиодов, но и параметрами других узлов конструкции. Применение современных материалов и электронных компонентов, а также правильно спроектированные драйвер и система охлаждения позволяют довести срок службы светильника до значения срока службы светодиодов, заявленного производителем. Но для этого требуются значительные инвестиции в исследования и производство, что могут себе позволить далеко не все компании.

Особую бдительность стоит проявлять в тех случаях, когда обещания производителей конечных изделий ничем не подтверждаются, кроме данных по продолжительности работы светодиодов в идеальных условиях. А что можно считать подтверждением? Наилучший вариант, вполне естественный для ведущих компаний — когда гарантийный срок совпадает или близок к заявленному ресурсу, т.е. составляет 3…5 лет. Если же гарантийный срок составляет 1…2 года, ориентируйтесь на срок службы светильника, приведенный в официальной документации на него, а не в рекламных проспектах.

В противном случае остается только уповать на репутацию производителя светильника.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: lighting.vesti@compel.ru

•••

Источник: https://www.compel.ru/lib/53692

Светодиодное освещение: проблема деградации светодиодов

Паразитное свечение светодиодов
Светодиодное освещение: проблема деградации светодиодов 12.02.2012 22:28

Читайте также  Как подключать светодиоды к источнику питания?

Методики подъема эффективности — «разгон» светодиода

За последнее десятилетие светодиоды перестали восприниматься просто как электронные компоненты. Они переросли в отдельный значимый продукт. Сохранив свои индикаторные функции, новейшие сверхяркие светодиоды активно начали заменять привычные всем лампочки накаливания и люминесцентные лампы.

И, хотя лампочка Ильича все еще дарит свет (и тепло, так как 96 процентов затрачиваемой энергии идет на тепловые потери), в перспективах рынка освещения на ближайшие годы  однозначно наблюдаются тенденции по полному вытеснению традиционных ныне средств освещения светодиодными приборами.

Причем происходит это в масштабах всей планеты. 

Процесс, как говорится, пошел. Однако есть один фактор, существенно тормозящий научно технический прогресс — цена светодиодных ламп для конечного потребителя. Народными такие лампы пока назвать трудно. На сегодняшний день светодиоды могут подняться до планки в 0.1 — 0.05 доллар за один выдаваемый люмен.

А это на два порядка выше аналогичного показателя обычных ламп. Производители светодиодов уже поняли, что в настоящий момент основным ценообразующим фактором является не функциональность светодиода, а излучаемый им световой поток.

В связи с этим, производители поставили перед собой задачу: увеличить эффективность светодиодов и уменьшить их стоимость.

Увеличение эффективности излучения света можно достичь несколькими различными способами. Например, улучшением качества используемых материалов, усовершенствованием структуры светодиодного чипа, технологии его формирования, улучшением свойств подложки и т. д.

Понижения стоимости света можно достичь, увеличив плотность проходящего через светодиодный чип тока. Так, если зависимость квантового выхода, получаемого от прямого тока, линейна (до определенного значения силы тока), то поток света, излучаемый эмиттером с одинаковым размером чипа, может быть выше в разы, при использовании более высоких токов. Соответственно, и отношение доллар/люмен будет меньше. Необходимо только учесть, что максимальный ток, который можно пропустить через светодиодный чип, будет зависеть от следующих факторов:

— ток не должен превышать значений, приводящих к существенной деградации светодиодов, входящих в состав светодиодного чипа;

— ток не должен приводить к понижению эффективности светодиодного чипа (люмен/ватт).

Еще не так давно светодиоды работали с плотностью тока порядка 20А/см2. Сейчас же некоторые мощные светодиоды (Power LEDs) функционируют при значениях в 70-100А/см2. Для того чтобы обеспечить продолжительную работу таких мощных светодиодов без их существенной деградации, требуется светодиодный чип с наилучшими свойствами по отводу тепла.

Также необходимо разработать соответствующий корпус. Например, AlGaInP и AlGaInN чипы созданы на арсенид-галлиевых и сапфировых подложках. Данные подложки являются не очень хорошими теплопроводящими материалами. А теплопроводность GaAs и Al2O3 составляет 44Вт/(м-К) и 35Вт/(м-К) соответственно.

Для максимально эффективного отвода тепла и снижения температуры есть три альтернативы:

— уменьшение толщины подложки;

— использование технологии обратного монтажа, позволяющей разместить испускающий свет p-n переход предельно близко к теплоотводу;

— удаление начальной подложки, которая используется с целью роста светодиодных гетероструктур, с последующим перемещением эпитаксиальных слоев на электропроводное и теплопроводное основание.

Самым простым является первый вариант. Однако сейчас весьма проблематично произвести подложку тоньше 50нм.

Второй вариант уже использовался компаниями Matsushita и Lumileds для отвода тепла и увеличения эффективности в GaN светодиодах. Некоторые другие компании также разработали и использовали технологию обратного монтажа для AlGaInP светодиодов,  в целях увеличения их эффективности на высоких токах. Однако, применение технологии обратного монтажа — достаточно дорогостоящее занятие.

Третий подход на сегодняшний день является, пожалуй, самым эффективным по стоимости изготовления светодиодных сборок высокой мощности. Многие крупные производители светодиодов и сборок, включая компании Osram, Nichia, Sanken, VPEC, AET Optotech, уже объявили об успешных разработках в этом направлении.

 «Разгон»: китайский вариант

Рассмотренные выше варианты увеличения эффективности и снижения стоимости относятся только к производителям светодиодов и светодиодных чипов. Что касается многочисленных потребителей светодиодных чипов, использующих их в качестве готовых компонентов в своих разработках, то они имеют намного меньше возможностей по снижению стоимости светодиодных приборов.

Пока что трудно однозначно ответить на вопросы о том, при каких максимальных токах способен работать светодиодный кристалл и какой предельный выход света он сможет обеспечить. Однако очевидно, что ключевым фактором, обеспечивающим длительный срок службы, надежность и эффективность является правильный корпус, в котором располагаются мощные светодиоды. В теории, заставить светодиодный чип работать на более высоких токах можно, если решить проблему отвода тепла из активной зоны. Тем самым обеспечив более высокий квантовый выход.

Качественно спроектированная и изготовленная линза позволит понизить внутреннее поглощение и отражение, тем самым значительно повысив оптическую эффективность.

Резервы для повышения эффективности есть. К примеру, эффективность оптической системы многих 5мм светодиодов не превышает 30 процентов. Есть, что улучшать. Но, жажда наживы и сложившийся уровень цен на рынке, ведут к иному развитию.

Несметная армия китайских производителей применила принцип «разгона» светодиодов по току. Совершив количественный скачок, и очень быстро достигнув цены в 0,04-0,03 доллара за люмен. Для того чтобы понять, насколько цена соответствует заявленным характеристикам, были протестированы сотни образцов белых светодиодов от различных азиатских производителей.

Результаты тестов оказались неутешительными. Подавляющее большинство светодиодов подверглось необратимой деградации. Их световой поток уменьшился в два раза от первоначального значения в течение одного-двух месяцев. В некоторых случаях дополнительно наблюдалась деградация фосфора и, как следствие, изменение цвета светодиодов. Причины такой сильной деградации следующие:

1. Величина прямого тока.

Заявленные азиатскими производителями 50-100 тысяч часов работы рассчитаны, исходя из условий работы при токе в 3-5мА. Но в их приборах светодиоды работают при токе в 20мА. Очень часто в осветительных приборах используют чипы, предназначенные для подсветки мобильных телефонов. Данный подход весьма практичен и не дорог. Но справедливо относится к недобросовестной конкуренции.

2. Тепловыделение.

Используемые в светодиодах корпуса были разработаны давно. Они обеспечивают минимальную стоимость, благодаря использованию автоматизированных процессов сборки. Однако они не были рассчитаны на установку мощных светодиодов. Размер посадочного места остался прежним.

Соответственно, посадка кристалла допустима только по классической схеме. Что не обеспечивает необходимый отвод тепла. Плотно заделанный в эпоксидную смолу светодиодный чип подвержен быстрой деградации.

Применение же теплопроводных материалов не пользуется популярностью среди азиатских производителей, поскольку неизбежно приводит к увеличению стоимости продукта.

3. Качество чипов.

Если поднять вопрос о происхождении используемых кристаллов, то, при всем разнообразии поставщиков, большинство производителей использовало кристаллы, изготовленные по типовой технологии, разработанной фирмой Nichia — прозрачного p-контакта.

Надо признать, что на сегодняшний день — это самая дешевая технология, обеспечивающая хорошую эффективность квантового выхода. В мобильных устройствах она давно уже нашла очень широкое применение. Но, кристаллы этого типа очень плохо ведут себя при применении в условиях горячего окружения. Их использование в осветительных приборах нежелательно, так как они изначально предназначались для других целей. Более того, характеристики используемых кристаллов значительно ниже, чем у Nichia. Скорее всего, из-за несовершенства оборудования и нарушений технологических процессов при их выращивании.

В последние годы десятки малоизвестных азиатских производителей обзавелись установками по выращиванию кристаллов (реакторы МОС-гидридной эпитаксии). Но процесс выращивания полупроводников требует глубокого понимания происходящих процессов и применения правильных технологий. А просто установка оборудования не является гарантией качественного производства.

4. Нарушение технологии сборки.

Трудно выделить одну конкретную причину, приводящую к деградации, ухудшению свойств или полному отказу светодиодов, так как при нарушении любого этапа технологии сборки светодиодов возможны отклонения технических характеристик.

Резюме

Недобросовестная конкуренция среди азиатских производителей (китайских,  в частности) привела к тому, что конечному потребителю вместо мощных и ярких белых светодиодов (White HB LEDs) преподносят самые дешевые из доступных кристаллов, от никому неизвестных или малоизвестных производителей,  и предназначенных совсем для других целей.

Из-за чего они подвержены быстрой деградации (тепловой и электрической). При этом кристаллы установлены в такие корпуса, которые еще более усугубляют качество продукта из-за своих низких тепловых, оптических и некоторых других свойств.

Самый неприятный момент, что изначально эти светодиоды можно признать абсолютно годными, так как их начальные характеристики (яркость, падение напряжения на переходе, цветопередача и другие) соответствуют заявленным в спецификации производителя.

Импортеры, не имеющих мощностей для проведения полноценного тестирования, заключают договора, обращая внимание только на один параметр — низкую закупочную цену. В результате, срок службы этих компонентов составляет всего нескольких сотен часов (что выясняется в процессе проведения испытаний).

Неужели все азиатские светодиоды плохие?

Конечно же, нет.

В качестве примера можно назвать такие компании как Harvatek, Cotco, Everlight.

Рынок светодиодной продукции динамично меняется. В том числе и в лучшую сторону. Поэтому есть потребность в отслеживании технических новинок и передовых разработок технологических лидеров в этой отрасли. Необходимо также принимать правильные решения при использовании уже существующих светодиодов.

Не стоит, к примеру, делать новогоднее елочное украшение из светодиодов фирмы Cree. Также не стоит применять компоненты «noname» в серьезной аппаратуре. Время идет вперед, и твердотельный свет неотвратимо делается все более и более доступным.

То, что сегодня считается новейшей и чудовищно дорогой разработкой, уже завтра может стать товаром широкого потребления. 

Источник: https://ledstore.ru/stati/news_post/10173003