Что такое деградация светодиодов

Что такое деградация светодиода

Чаще всего, говоря о деградации светодиода, имеют ввиду процесс постепенного снижения его яркости вследствие плохого охлаждения кристалла. Еще под понятием «деградация светодиода» может подразумеваться преждевременный приход полупроводникового источника света в непригодность или изменение первоначальной цветовой температуры.

Однако деградация бывает вызвана различными причинами, несмотря на то, что результат всегда выглядит одинаково — неприемлемое снижение яркости светодиода или вообще прекращение испускания им света в ответ на подачу питания.

Деградация светодиодов может стать настоящей проблемой там, где точность цветопередачи крайне важна, например в больницах, в выставочных залах и музеях. Давайте же рассмотрим причины деградации светодиода.

Итак, как мы уже выяснили, процесс старения светодиода называют деградацией. Прежде всего это выражается в снижении яркости испускаемого света (в уменьшении светового потока).

Кроме того проблемой становится так называемый цветовой сдвиг, который выражается в отклонении цветовой температуры от первоначально заявленной, и в ухудшении цветопередачи. Наконец все может закончиться полным выходом светодиода из строя. Но так или иначе светодиод к деградации могут привести различные факторы.

Одна из самых обычных причин ранней деградации кристалла — недоброкачественная сборка изделия. Желая сделать продукт как можно более дешевым, максимально понизить его себестоимость, изготовитель сильно откланяется от адекватных стандартов производства, например использует заведомо маленькие корпуса.

Современные модели мощных светодиодов требуют новых корпусов с большей площадью, нежели у тех корпусов, которые использовались ранее для чипов малой мощности.

Либо сами чипы могут быть изготовлены некачественно, с нарушением правильной технологии. Это однозначно становится причиной ранней деградации кристалла, светодиод выйдет из строя раньше срока гарантийной эксплуатации, заявляемого самонадеянным производителем.

В следствие плохого монтажа, кристалл светодиода попадает в неправильные условия эксплуатации. Бывает такое, что алюминиевый профиль вообще не используется когда должен, – это грубое нарушение правил монтажа.

Установка мощного современного светодиода на чип, который использовался в маломощных светодиодах более ранних моделей — ведет к гарантированному перегреву кристалла.

Механические повреждения — также приводят к ранней деградации светодиода. Размещение светодиодов под прямыми солнечными лучами либо перегрев во время пайки неопытным новичком — все это нарушение условий эксплуатации полупроводниковых источников света.

Перечисленные факторы имеют одну общую черту — они способствуют плохому отводу тепла от кристалла, приводят к его перегреву, что отнюдь не соответствует безопасным условиям эксплуатации.

Ток через переход может быть превышен вследствие одного из этих факторов, и диод просто сгорит, равно как при случайном перегреве паяльником. Превышение допустимой температуры внутри устройства — верный путь к быстрой деградации кристалла.

Но даже если светодиод эксплуатируется правильно, то через определенное время деградации кристалла все равно не избежать. Дело в том, что светодиоды сами по себе подвержены естественному старению. Особенно быстро стареют белые светодиоды. Цвет белого светодиода изначально имеет синий оттенок, который обычно выравнивается до белого при помощи подходящего люминофора.

Люминофор имеет свойство со временем свертываться, его слой в итоге разрушается, и цветовая температура ползет в направлении холодного голубого.

При другом способе производства светодиодов деградация происходит с цветовым сдвигом в сторону желтого цвета, поскольку высокие температуры вызывают появление воздушных зазоров между люминесцентным покрытием и светодиодным чипом, происходит попросту «расслаивание» светодиода.

И то и другое – естественная деградация, характер которой добросовестный производитель всегда рассчитывает на стадии изготовления и учитывает при составлении спецификации на светодиод.

Необходимо помнить, что спецификация изготовленного на заводе светодиода, включая показатели долговечности, составляется в лабораторных условиях, где соблюдены идеально корректные режимы питания, теплоотведения и влажности. При эксплуатации же в реальных условиях, долговечность, как правило, снижается.

Пример выгорания светодиодов

Производители светодиодных ламп и светодиодов обещают большую длительность работы, обычно составляет от 20 тысяч часов для старых моделей, и 30-50 тысяч часов для последних популярных моделей, таких как SMD 5630 и SMD 5730. На самые современные диоды длительность может составлять уже до 100 тыс. часов.

• 1. Характеристики кукурузы
• 2. Деградация
• 3. Ресурс
• 4. Измеряем падение яркости через 2 года
• 5. Определяем режим работы

Характеристики кукурузы

В качестве примера с большим временем эксплуатации будет рассмотрена кукуруза с цоколем Е27 и напряжением 220В. Примерное непрерывное время работы этой лампы составляет 2 года, то есть 17,000 – 20,000 часов.

Светодиодная лампочка на SMD 5630

Светодиодная лампа была куплена на Aliexpress, и была поставлена в коридор на лестничной площадке, из-за того, что я заказывал белого света, а одна а оказалась холодного свечения. Эксплуатировалась в замкнутом пространстве, в прозрачном рифленом плафоне, и плафон при этом был температуры окружающего воздуха. За это время пластик на кукурузе пожелтел и явно стали видны следы деградации люминофора на диодах, которые обнажили внутренности светодиодов SMD 5630 под силиконовой поверхностью.

В ней использованы диоды низкого качества от мелкокитайского производителя, которые включены на 30% от общепринятой мощности, на 0,15 Вт вместо 0,5 Ватт. Таким образом, производитель защищает его от преждевременного снижения характеристик и обеспечивает приемлемую длительность использования.

Диоды бюджетные китайские, на 0,15W, вместо положенных популярных 0,5W. Этим китайцы умело пользуются, то есть обманывают. Выдают их за полватные. Кто покупает первый раз и не разбирается в этом, не поймет что его обманули. Это я подробно описал в статье про выбор светодиодных лент, сравнивая цены, мощность и конечную выгоду.

Деградация

Пример, слева новый, справа старый (2 года работы)

По мере эксплуатации, светодиод подвергается воздействиям, которые негативно сказываются на его характеристиках.

Основные факторы:

1. помутнение оптической части, выполненной из силикона;
2. выгорание люминофора под воздействием температур;
3. деформации корпуса из-за нагрева и напряжения корпуса;
4. деградация кристалла.

Светодиод белого света изначально светит холодным синим цветом. Для получения нейтрального белого дневного света, кристалл покрывают люминофором, который преобразует синий в белый цвет.

Во время деградации кристалла, появляются дефекты, при которых участок кристалла перестает светить, но продолжает нагреваться. При этом начинает увеличиваться ток утечки, то есть ток проходит не излучая свет. Самым плохими катализаторами деградации являются ток выше номинального и повышенная температура. Поэтому надо быть осторожным при покупке сомнительных экземпляров, потому что наши китайские братья по разуму могут «разгонять» светодиоды, подавая ток выше номинального.

Ресурс

График деградации от температуры и времени

Что же будет, когда он отработает указанное производителем время?
Общепринятым стандартом считается, что за период указанной длительности работы яркость светодиода упадет на 30%.

Это правило в основном действует на именитых производителей, который соблюдают стандарты, а мелкие и неизвестные производители могут отходить от стандартных правил, с целью завышения параметров и технических характеристик светодиодных ламп. Они могут запросто указать стандартную длительность работы для модели, при этом умолчав, что при этом яркость упадет до 50%.

Во избежание различных неприятных сюрпизов, требуйте продавца настоящие сертификаты на продукцию. Если сертификатов нет, то подсунуть могут что угодно. Еще одна сопутствующая проблема, это будет непонятно, относится сертификат к этим диодам или он от другой партии.

Измеряем падение яркости через 2 года

На торце обеих установлено 8 штук

Выгорание люминофора и деградация налицо, но это лишь внешние признаки. Так как я покупал несколько одинаковых, из которых непрерывно в течение 2 лет работала одна, то сравним их яркость. Для теста берем такую же лампу с цоколем Е14 220В, которая практически не работала и отработавшую 17 – 20 тыс. часов.

Фото тестируемых кукуруз, одна в цилиндре

Для получения более точных результатов, будем сравнивать освещенность, создаваемую SMD 5630, которые находятся только на торце, в количестве 8 штук. Для исключения влияния боковых светодиодов, одеваем неё цилиндр из бумаги.

Измеряем освещенность новой лампочки

Измеряем освещенность старой

В результате тестирования получаем:

• после 2 лет дает освещенность 49 Люкс;
• новая светит на 73 Люкс.

Разница между старой и новой составляет 24 люкса, получается, что яркость упала за время двухлетней непрерывной эксплуатации на 33%. Так как они неизвестного китайского производства и низкого качества, то можно сказать, что ресурс этих светодиодов составляет 20,000 часов.

Определяем режим работы

Чтобы определить светодиоды, которые не в номинальном режиме, а в заниженном или завышенном, то необходимо узнать тип диодов и вычислить суммарную потребляемую мощность и световой поток. Полученные данные сопоставляем с характеристиками светодиодной лампы, в результате чего делаем выводы. Основная проблема, это невозможность определить модель диода из-за наличия матовой колбы. Один из выходов, это найти такие же у другого продавца (например, если покупаете на Aliexpress), у которых указан тип диодов или есть фото без колбы.

существуют ли снипы и санпины разрешающие использование светодиодного освещения в д/садах и школах. какая ситуация поданному вопросу у наших зарубежных партнёров.

Если параметры светодиодных ламп соотвествуют требованиям санпина, то использовать можно. По уровню пульсаций и другим. Как дела с этим обстоят за рубежом, не интересовался.

5 причин деградации светодиодов

Сила тока

Производители обещают и гарантируют то, что светодиод способен проработать до ста тысяч часов хорошей работы (в среднем 50 000), с тем учетом, что ток его будет составлять 20 мА. Однако производители из Китая предпочитают устанавливать в диод чип, который применяется для подсветки экрана в мобильном телефоне. В таких оптоэлектронных приборах светодиод рассчитан на ток до 5 мА. За счет этого продукция выпускается по заниженной стоимости и как результат — недобросовестная победа среди конкурентов, так как светодиод со временем станет работать хуже, начнет деградировать, .

Тепловыделение

Деградация LED источников света также проявляется и при тепловыделении. Так как корпус для осветительных элементов разработан давно, то процесс его сборки осуществляется высокоавтоматизированным способом. Старый светодиод отлично подходит для такого корпуса, но он совершенно не рассчитан для ярких светодиодов. Посадочное гнездо в установке не должно превышать 12 мм, соответственно старый корпус уже не в состоянии отводить отходящее тепло. Из-за этого чип не способен избежать такого явления, как деградация.

График ниже указывает, как зависит срок службы кристаллов от повышения температуры:

Качество чипов

Одой из основных причин, почему происходит деградация светодиодов, считается плохое качество используемых чипов. Несмотря на то, что компаний-производителей достаточно много, большая их часть применяет кристаллы, которые изготавливают на однотипной технологии первого поколения – прототипы Nichia, которые обладают прозрачным р-контактом.

Это считается самой дешевой технологией, которая широко используется в мобильных устройствах. Такая светодиодная лампа ведет себя достаточно плохо в условиях горячего окружения. А это означает, что их применение в качестве освещения, нежелательное. Помимо этого, если сравнивать характеристики таких кристаллов с их аналогами, что относятся к прототипу Nichia, то у них нет ничего совместного и общего. Это объясняется тем, что кристаллы выращиваются с пренебрежением и несоблюдением основных технологических процессов, а также с использованием некачественного оборудования.

Нарушение основных этапов сборки

В гонке за клиентами, среди большой конкуренции, китайские компании-производители не особо следят и контролируют процесс сборки устройства. Это послужило возникновению еще одной причины деградации светодиодов — из-за некачественной сборки осветительных приборов. В этом случае компании-производители работают по простому принципу – главное не качество, а количество. И как результат, светодиодная лампа служит потребителям намного меньше, чем указано в технических характеристиках LED ламп.

Однако сложно определить, почему светодиод плохо работает и ухудшает свои свойства, какие факторы на это влияют. Деградация может быть различной.

Диод помещается в корпус, у которого характеристики и свойства значительно уступают по качеству. Однако такая светодиодная лампа полностью соответствует всем техническим характеристикам, поэтому изначально считается годной. Ее яркость, цветовая температура, напряжение и прочие параметры соответствуют данным, что прописаны в спецификации производителя. А так как закупочная цена у таких осветительных элементов низкая и доступная, то их закупают многие импортеры. Однако срок службы у таких источников света на порядок меньше того срока, что указан в паспорте и составляет всего лишь несколько сотен часов вместо нескольких тысяч. Этот факт подтвердился в ходе испытаний и эксплуатации компонентов.

Улучшить эффективность диодов и соответственно отдалить процесс их деградации можно несколькими вариантами. Например, повысить качество используемого материала, модифицировать структуру и построение самого чипа, а также технологию его образования. Также при тестировании поверхности можно добиться эффективности в качественной работе LED компонентов.

Неправильная эксплуатация

Ну и последняя причина деградации светодиодных лент и ламп — неправильная эксплуатация данных осветительных приборов. Дело в том, что перегрев может возникнуть не только из-за конструктивных особенностей изделия, но и из-за того, что пользователь, сознательно купивший дешевую китайскую LED продукцию, как минимум не продумал хороший отвод тепла. Если говорить о светодиодных лентах, то их рекомендуется крепить на алюминиевый профиль, который поможет спасти диоды от перегрева и дальнейшей деградации.

Однако эту причину нельзя назвать настолько оправданной и часто происходящей, т.к. все же низкое качество сборки, неправильно подобранные чипы и осознанное использование дешевых компонентов производителями является основными факторами, из-за которых светодиоды светятся тускло или по разному!

Напоследок рекомендуем просмотреть наглядный пример деградации LED ленты:

Теперь вы знаете, что такое деградация светодиодов и какие причины ее возникновения. Советуем вам приобретать LED продукцию только от проверенных производителей, чтобы в дальнейшем не столкнуться с данным явлением!

Обязательно прочитайте:

Что такое деградация светодиодов

Качество светодиода зависит от цены, пытаясь сэкономить, можем наткнуться на некачественный продукт. Часто после покупки светодиодной лампы, со временем мы наблюдаем, что она светит тусклее, искажает цвет, такой процесс называют деградация светодиодов. В этой статье мы расскажем, что такое деградация светодиодов и рассмотрим основные причины, которые могут к этому привести.

Сила тока

Каждый производитель гарантирует, то что любой светодиод может светить до 100 00 часов, с учетом того, что ток его равен 20 мА.

Находчивые производители из Китая, умудряются крепить в светодиод чип, который обычно используют для подсветки экрана телефона, в таких приборах светодиод рассчитывается на ток до 5 мА. Это позволяет производителю занижать стоимость на светодиод, и результат вы купите некачественный продукт, который на рынке будет пользоваться спросом, разочарование вы получите в процессе работы светодиодной лампы, она начнет деградировать.

Выделение тепла

Еще деградация светодиодных источников может зависеть от тепловыделения. Корпус для ламп различного вида, разработан давно и производится механизированными машинами, старый образец подходит для данных светодиодов, так как не рассчитан на повышенную яркость.

Основа, а именно (посадочное гнездо) при установке не рекомендовано превышать более чем двенадцать миллиметров, в процессе мы понимаем, что устарелый корпус не в состоянии отводить отходящее тепло. В результате чип получает такое явление, как деградация.

Качество драйверов

Основная и самая распространенная причина деградации светодиодов, некачественное использование чипов. Большинство производителей в погоне за прибылью, используют при производстве дешевую технологию. Применяя кристаллы, которые изготовлены с помощью однотипной технологии первого поколения, а именно копии Nichia, делая прозрачным p-контакт. При изготовлении пренебрегают правилами технологических процессов, используя некачественное оборудование.

В итоге использование таких ламп не рекомендовано.

Ошибки при сборке устройства, приводящие к деградации:

1. Не контролируется процесс сборки устройства.
2. Используются дешевые материалы.
3. Используются не качественные материалы.
4. Принцип не качество, а количество.
5. Неправильная эксплуатация.

Остается только понять, почему светодиод не выполняет качественно свою функцию. Деградация и ее проявления различны.

При помещении диода в корпус изначально его характеристики и основные составляющие не надлежащего качества. Внешне такая лампа ничем не отличается от качественных, у нее такие же изначальные характеристики, поэтому она на рынке представлена покупателю. Значительное отличие такой лампы — это срок годности и качество работы.

Поднять работоспособность лампы можно повысив качество материала, пройти все процессы при изготовлении под контролем согласно правилам. Перед продажей провести тестирование на соответствие качества. Помните о том, что сделать светодиодную лампу своими руками можно, также ее можно собрать из нескольких.

Также рекомендуем посмотреть вот такое видео:

Неправильное использование

Самая основная и последняя причина деградации светодиодов – неверное применение, использование. Может перегреться прибор, из-за не продуманного отвода тепла.

Советуем светодиодные ленты прикреплять к алюминиевым профилям, что гарантирует страховку от перегрева и деградации.

Но распространённые причины — это некачественные платы при сборке, и дешевые составляющие, из-за которых мы не получаем желаемого результата от светодиодных ламп и лент, по исходу получаем деградацию светодиода.

Светодиоды-долгожители: правда или мистификация?

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.

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

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: T_B — монтажная плата, T_S — подложка, T_J — p-n-переход, T_A — 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.

Надежность белых светодиодов. Деградация параметров.

Статья посвящена анализу надежности люминофорных светодиодов белого цвета свечения различных производителей и может быть полезна разработчикам устройств на базе твердотельных источников света. В статье использованы публикации результатов испытаний и характеристики образцов светодиодов и их сравнение с параметрами, заявленными производителем.

Применение белых светодиодов

Значительный прогресс в технологии изготовления светодиодов в 2005-2009 годах дал толчок к широкому применению светодиодных технологий в различных отраслях человеческой деятельности и в быту. Совершенствование технологии изготовления, как самих светодиодов, так и схем управления и источников питания позволило создать достаточно эффективный светодиодный источник света для целей освещения. И такое уникальное качество, как отсутствие хрупких элементов, взрывобезопасность, сделали светодиод незаменимым в некоторых областях применения. Кроме того, в условиях глобальных усилий по снижению энергозатрат, вслед за экспансией люминесцентных источников света, на рынок активно продвигаются светодиодные устройства. Повышенный спрос на твердотельные источники света приводит к снижению их стоимости за счет массового производства и значительной конкуренции.

Наиболее широко источники светодиодного освещения предлагаются для бытового и промышленного освещения в качестве замены ламп накаливания и люминесцентных ламп. Судя по заявлениям производителей, светильники на основе белых светодиодов позволяют достичь большей на 20-50% эффективности и значительно, в разы большей долговечности, по сравнению с люминесцентными лампами сравнимой мощности. Таким образом, стоимость владения таким источником света становится сравнимой или даже меньше, чем аналогичные по светосиле люминесцентные светильники.

Кроме светильников, за счет малых размеров и низкого тепловыделения, светодиодная подсветка используется в различных приборах, в автомобилестроении, в качестве декоративной подсветки, в рекламе, для изготовления электронных табло.

Технология изготовления белых светодиодов

Физика получения белого цвета свечения базируется на преобразовании спектра исходного излучения при помощи люминофора. В качестве исходного, в нашем случае, используется излучение кристалла на основе AlInGaN синего цвета, чаще всего излучающего в диапазоне длин волн 450–465 нм. После преобразования происходит сильное увеличение ширины спектра за счет добавления в спектр переизлученной люминофором мощности в желтой и красной областях спектра (рис. 1). Спектр такого сочетания синего кристалла и люминофора получается гораздо шире и более заполненным, чем спектр люминесцентной лампы или вольтовой дуги.

Рис. 1. Спектры свечения синего и белого люминофорного светодиода на его базе, линия видности по МКО.

Таким образом, зависимости многих параметров белых светодиодов будут определяться соответствующими параметрами базового синего кристалла, поэтому рассмотрим его параметры. На рис. 2 показаны зависимости отношения люмена к потребляемым ваттам (далее — лм/Вт) от плотности тока для кристаллов производства Cree.

Рис. 2. Зависимости светового выхода лм/Вт и КПД для различных чипов на основе AlInGaN производства компании Cree от плотности тока через кристалл.

Для оценки эффективности выбраны зависимости от плотности тока, а не от его полного значения. Это дает возможность оценить характеристики, не связанные с геометрическими параметрами излучающих чипов, понять их абсолютную эффективность.

Из графиков на рис. 2 видно, что снижение эффективности светового выхода с ростом плотности тока ярко выражено и не зависит от размера чипа. Видно, что светоотдача, или квантовая эффективность, максимальна при малых значениях плотности тока и снижается более чем в два раза при увеличении плотности тока до максимальных значений. Это снижение вероятнее всего определяется разогревающим эффектом при прохождении тока через кристалл. Наиболее эффективным становится конструкция излучателя с минимальным тепловым сопротивлением чип – подложка, позволяющим снизить температуру. Следовательно, повышение эффективности теплоотвода становится приоритетным направлением при разработке высокоэффективных излучателей.

Точно такие же зависимости можно увидеть и на графиках, показанных на рис. 3, которые получены для светодиодов белого цвета свечения. Следует отметить хорошо заметный на этих графиках максимум при малых значениях плотности тока. Возможно, это связано с резонансной особенностью работы системы параллельных структур кристалла. При больших плотностях тока, начинают действовать другие причины, снижающие эффективность излучения: последовательное сопротивление структуры и подложки, а значит и разогрев, безизлучательная рекомбинация, неравномерность плотности тока по площади чипа.

Рис. 3. Графики эффективности и КПД от прямого тока для различных белых светодиодов компании Cree.

Сопоставляя значения эффективности, показанные на рис. 3, можно определить коэффициент преобразования люминофора. Для различных значений плотности тока получается следующая картина: (табл. 1).

Таблица 1. Эффективность излучения и коэффициент преобразования люминофора

Если световой поток первичного синего кристалла света равен 11,5 лм, то при том же токе в 350 мA, световой поток светодиода с люминофором белого цвета свечения на основе этого же кристалла будет 34,5 лм, что в 3 раза больше. В различных вариантах исполнения белых люминофорных светодиодов, отношение светового потока к излучению исходного синего чипа может доходить до пяти, и как правило, для большинства светодиодов ведущих производителей имеет значение не менее четырех, что свидетельствует о высоком качестве используемого люминофора. Этот коэффициент, как показывают исследования, практически не зависит от плотности тока в диапазоне паспортных значений, как видно из таблицы 1, и указывает на то, что коэффициент преобразования определяется только свойствами люминофора. Максимальный коэффициент преобразования люминофора можно наблюдать в светодиодах компании Nichia с кристаллами на подложках из сапфира.

В общем случае, видно, что зависимость эффективности белых светодиодов от плотности тока хорошо повторяет такие зависимости для синих светодиодов, составляющих основу белых светодиодов. Можно сделать вывод о прямой зависимости светоотдачи от температуры p-n перехода.

Тенденции развития технологии

Совершенствование технологии производства всех компонентов светодиодов, излучающие кристаллы, метод их установки на эвтектический сплав, линзы из кварцевого стекла, корпуса из керамики, люминофорное покрытие кристалла, существенно повысило надежность и энергетический выход излучения. В современных светодиодах уменьшено тепловое сопротивление p-n-переход–кристаллодержатель, которое достигает у некоторых производителей уровня не более 8 °С/Вт. Это стало возможным с началом применения SiC в качестве подложки светодиодных чипов, что позволило монтировать чип на теплоотвод с применением эвтектического сплава. Кроме того, толщина подложки снижена до 2–3 мкм. Применение этой технологии при изготовлении чипов большого размера позволило достичь большого светового выхода – более 100 лм/Вт за счет уменьшения прямого напряжения при плотностях тока в 50 и более A/cм 2. Усовершенствование коснулось и процесса выращивания самих полупроводниковых структур, сто способствовало повышению равномерности растекания тока по объему материала кристалла. Кроме того, проводимость эвтектического сплава выше проводимости токопроводящего эпоксидного клея, что особенно сказывается на больших плотностях тока. Увеличение светоотдачи достигается и в результате оптимизации формы самого излучающего кристалла, позволяющей более эффективно выводить излучение за его пределы.

В поиске пути снижения теплового сопротивления p-n-переход — кристаллодержатель, некоторые производители светодиодов пробуют переворачивать чип p-n-переходом к теплоотводу, метод “Flip-Chip”. Это существенно снижает температуру p-n-перехода одновременно с улучшением условий выхода излучения из кристалла. Эта технология позволяет увеличить плотность тока через кристалл. Развивается и методика производства кристаллов с применением эффекта Пельтье (полупроводниковый охладитель) непосредственно под излучающим кристаллом.

Деградация параметров белых светодиодов

Задача достоверной оценки стабильности параметров светодиодных излучателей для проектирования на их базе разнообразных изделий значительно усложняется из-за возникающей в процессе работы светодиодов деградации параметров излучения. Разработчика ответственных устройств с применением светодиодов уже не может устроить стандартный параметр надежности, который указывает большинство производителей светодиодов, например, гарантированная наработка 100 000 часов с потерей до 30% светового потока, поскольку этот параметр не подтверждается расчетами и фактами. Совершенно очевидно, что опытным путем никто не проверял, насколько эта величина соответствует реальному положению дел, хотя бы потому, что для этого требуется не меньше десяти лет, к тому же, изменение параметров зависит от различных факторов, в том числе, от режимов и условий эксплуатации. Оценка деградации параметров на базе методов ускоренного старения при работе в предельных режимах не может считаться корректной из-за воздействия в таких режимах других физических особенностей работы полупроводниковой структуры, которые не всегда работают в нормальных условиях эксплуатации.

Видимо в связи с наработкой экспериментов в последнее время некоторые производители светодиодов стали указывать в спецификациях зависимости некоторых параметров от наработки. Чаще всего такую информацию предоставляют крупные фирмы, заинтересованные в качестве своей продукции и имеющие возможности для проведения соответствующих затратных исследований. Публикует такие данные, основанные на экспериментах и фирма Cree. Однако, как показали параллельные независимые исследования, наблюдаются несоответствия между реальными параметрами и заявленными.

Несмотря на то, что основной физической характеристикой излучения светодиодов является световой поток, зависимости изменения светового потока удобнее рассматривать одновременно с анализом изменения связанных параметров, например, силы света (рис. 4).

Исследования проводились при указанном изготовителем токе 350 мA и теплоотводе площадью более 100 кв.см, что значительно больше требуемого. Сначала обратим внимание на световой поток, обозначенный на графиках как Ф(Т). Показанные зависимости светового потока от наработки дают различное изменение параметров при разных начальных его значениях. Как видно на графике, бóльшему значению светового потока (рис. 4б) (а значит и бóльшему отношению лм/Вт) соответствует бóльшее падение значения светового потока со временем по сравнению с приборами меньшей эффективности. Видно, что завершение периода стабилизации параметров и начало снижения светового потока ниже первоначального значения по информации компании Cree наблюдается в районе 5000 часов, тогда как у реальных образцов этот момент наблюдается при наработке от 800 до 2500 часов. Но самое существенное, что к указанному производителем моменту в 5000 часов, световой поток реальных образцов достигает уже совсем неприемлемого уровня. Это означает, что уже через полгода снижение светового потока может достигнуть 6–8%, хотя зависимость на рис. 4а говорит о другом. На первый взгляд, это не очень много, но если учесть дальнейшие рассуждения, то можно прийти к выводу, что это это достаточно существенно.

Конечно, максимально достоверные результаты деградации параметров могут быть получены лишь при реальной наработке в течение всего заявленного срока службы. Но такие продолжительные эксперименты (10–12 лет) реализовать достаточно затруднительно. Однако, опыт исследований, знание физических основ работы полупроводниковых структур, расчеты и моделирование с использованием данных по наработке в течение относительно небольшого периода работы, позволяет разработать методики оценки без проведения длительных исследований и операций искусственного старения. На рисунке 5 представлены данные таких расчетов на основе измерений значений светового потока светодиодов в течение 8000 часов наработки.

Рис. 5. Расчетные деградационные характеристики светодиодов Cree.

Как следует из рис. 5, 4б и 4в, для некоторых «ранков» светодиодов, уже при 10–12 тысяч часов наработки (1,5 года) световой поток падает на 10–12%. А при достижении значения предельной наработки, указанного изготовителем, снижение уже составляет от 55 до 75%.

Причины такого поведения характеристик детально рассмотрены в работе [1]. Не буду повторять рассуждения автора, остановлюсь на выводе. Большая площадь поверхности кристалла приводит к неравномерности распределения плотности тока по поверхности чипа и соответственно, светового потока, что усиливается при наработке. Для белых люминофорных светодиодов достоверный ответ как на причины деградации, так и на правильную оценку параметров светодиодов для разработчиков, оказывается неоднозначной. Во первых, нанесенный на поверхность кристалла люминофор значительно сглаживает все неравномерности, во вторых, начинают проявляться другие механизмы, свойственные только излучению широкого спектра, близкого к белому. Можно увидеть, что характер изменения светового потока белых светодиодов с различными отношениями эффективности излучения полностью соответствует диаграмме исходного синего. Однако и здесь видно, что наиболее резкие и большие по амплитуде изменения свойственны светодиодам с наибольшими показателями эффективности.

Помимо рассмотренных выше особенностей белых светодиодов на основе люминофора, существует также проблема неравномерности цветовых параметров излучения светодиодов по диаграмме направленности. Это, прежде всего, связано с неравномерностью нанесения люминофора на кристалл при его изготовлении. Совершенно понятно, что чем больше площадь чипа, тем труднее нанести слой люминофора одинаковой толщины и качества. К тому же, с наработкой вступают вступают факторы, связанные с качеством изготовления самого чипа, как то локальный перегрев, что влияет на изменение цветовых параметров в процессе наработки.

Так же как и в случае со световым потоком, наибольшему разбросу цветности светодиодов различных «ранков» в зависимости от значения эффективности соответствуют приборы с высокими значениями эффективности. Очевидно, что это обусловлено именно неравномерностью плотности тока.

Выводы

Ни у кого не вызывают сомнения хорошие перспективы применения осветительных светодиодов. По мере совершенствования технологии изготовления, увеличивается срок службы таких изделий. Сегодня основная борьба в области развития технологий касается совершенствования внутренней структуры светодиода в целях снижения теплового сопротивления системы размещения полупроводникового чипа, характеристик и точности воспроизведения параметров самого чипа, состава и методов нанесения люминофора. Белые светодиоды “хороших” производителей становятся достаточно стабильными для большинства применений. Доля старения люминофора в деградации всего светодиодного устройства снижается, не за горами время, когда основной и подавляющей причиной изменения свойств светодиодов станет деградация полупроводниковой структуры, а общая надежность светодиодного источника позволит не учитывать её в большинстве разработок.

Литература

1. Никифоров С. Исследование параметров семейства светодиодов CREE XLamp. Компоненты и технологии. 2006 №11

2. Полищук А. Деградация полупроводниковых светодиодов на основе нитрида галлия и его твердых растворов. Компоненты и технологии. 2008 №2

3. Никифоров С. Самые современные источники света. ExpoElectronica & ElectronTechExpo 2008

4. Никифоров С. Исследование нового семейства мощных светодиодов CREE XLamp XP-E для устройств освещения. Полупроводниковая светотехника. №2 2009

5. Никифоров С. Новые возможности светодиодов Luxeon REBEL. Полупроводниковая светотехника. №2 2011