Wenn das Licht schwindet

Dipl.-Ing. Guenther Lippold, microtec, Stuttgart

Lichtemittierende Dioden (LEDs) haben durch stark gewachsene Lichtausbeute und höhere Lebensdauer, gepaart mit geringeren Kosten, die klassischen Lichtquellen überrundet. Aufgrund ihrer Eigenschaften werden LEDs zunehmend in sicherheitskritischen Bereichen eingesetzt, z. B. in Verkehrsampeln, als Außenbeleuchtung und Instrumentierung bei Automobilen, in der Luft- und Raumfahrt, Sensorik, in der Datenkommunikation sowie in der Medizintechnik.

Qualifikation dient nicht nur als Entscheidungsgrundlage für Freigabe und Einsatz neuer Produkte im Markt. Vielmehr ist sie Grundlage für Langzeitzuverlässigkeit aller elektronischer und optoelektronischer Komponenten, da sie Schwachstellen frühzeitig aufdeckt. Diese können zum Ausfall kompletter Geräte führen und ziehen fast immer einen Imageverlust mit sich.

Qualifizierungen liefern Aussagen zur Langzeitzuverlässigkeit der LEDs unter bestimmten Betriebsbedingungen und minimiert Ausfallkosten, da sie Frühausfälle eliminiert und Feldausfälle reduziert. Anhand der Ergebnisse aus der Qualifikation werden Schwachstellen im Herstellungsprozess erkannt und können abgestellt werden.

Mittels Untersuchungen wie Lebensdauertests, klimatischen und mechanischen Umwelttests, Restgasanalysen sowie Fehleranalysen, werden die mechanische Stabilität und die geforderten Umweltbedingungen überprüft. Qualifikationen werden für die Zielmärkte Automotive, Luft- und Raumfahrt, Telekommunikation und Signaltechnik unter anderem nach Telcordia, AEC-Q, ESCC, JEDEC und MIL-Standard durchgeführt; ebenso nach kundenspezifischen Anforderungen. Um einen geeigneten Qualifikations-Flow zu erstellen, ist Erfahrung auf dem Gebiet der Ausfallmechanismen und der technischen Testmöglichkeiten notwendig.

Die Zuverlässigkeitsbetrachtung geht einen Schritt weiter als die Qualifikation. Hier werden LED-Tests unter Beobachtung der degradationsrelevanten Parameter durchgeführt. Die Lebensdauerabschätzung wird auf Grundlage der Wahrscheinlichkeitsrechnung (MTBF) ermittelt und es werden Fehleranalysen durchgeführt, die Fehlermechanismen aufdecken und Fehlerkriterien definieren. Auch die Sub-Komponenten werden dafür untersucht.

Alterung und Lebensdauer einer LED

Um Aussagen zur Lebensdauer einer LED treffen zu können, muss man die Technologie dahinter verstehen. Beim Langzeitverhalten von Lumineszenz- und auch Laserdioden, spielen die zeitlichen Veränderungen ihrer Emissionseigenschaften die entscheidende Rolle. Die Intensität der Emissionsstrahlung einer unter konstanten Bedingungen betriebenen Lumineszenzdiode nimmt kontinuierlich ab. Dieses Verhalten wird als Alterung oder Degradation bezeichnet und hängt anscheinend mit der Wanderung bzw. Ausweitung von Störstellen im Kristall zusammen. Eine abrupte Abnahme der Emission, wie sie von Glühlampen her bekannt ist, wird bei Halbleiterlichtquellen nur bei der Laserdiode beobachtet, wenn infolge einer Kettenreaktion der Vorwärtsstrom so hoch wird, dass es zu einer Zerstörung der Diode kommt.

Im Allgemeinen wird die Lebensdauer einer LED als die Zeit definiert, in der die Lichtleistung bei definierter Umgebungstemperatur und Durchlassstrom 50 % des gemessenen Ursprungslichtstroms unterschreitet (t50). Allerdings geht der Trend dazu, bereits bei 70 % oder 80 % Restleistung des Ursprungslichts das Ende des Lebenszyklus zu definieren; also bei einem Lichtverlust von 20 % bis 30 %. Standard-LEDs erreichen unter normalen Betriebsbedingungen Lebensdauerwerte in der Größenordnung von 50 000 bis 100 000 Stunden, was mehr als 11 Jahren ununterbrochener Leuchtdauer entspricht.

Faktoren, die das Altern der LED beschleunigen

Die Degradation des LED-Lichtstromes ist im wesentlichen von der Temperatur der lichtemittierenden Schicht im Halbleiterkristall bei Betrieb abhängig, auch „Junction“ genannt. Entscheidend für die Junction-Temperatur (Tj) ist der Temperaturhaushalt einer LED, der maßgeblich auch von der äußeren Umgebungstemperatur (Tamb) beeinflusst wird. Die maximal zulässige Junction-Temperatur darf nicht überschritten werden und sollte vom Hersteller im Datenblatt angeben werden. Die Tj ist neben der Umgebungstemperatur (Tamb) auch von der Bestromung (If) abhängig. Bei erhöhter Umgebungstemperatur darf also ein bestimmtes If nicht überschritten werden. Ebenso wird durch stark schwankende Umgebungstemperatur die Lebensdauer verkürzt.

Eine weitere Ursache der Degradation kann in einer zunehmenden Trübung der Vergussmassen, Gehäuse oder der für die Linsen eingesetzten Kunststoffe liegen (z. B. ausgelöst durch UV-Licht). Daher steigen manche Hersteller beispielsweise für die Gehäuse von Epoxyd auf Silicon um. Je nach angewandter Technologie kommen weitere Ursachen für die Degradation hinzu, dazu zählt zum Beispiel bei Lumineszenskonversions-LEDs die Alterung des Fluoreszenzfarbstoffs. Diese führt beispielsweise bei weißen LEDs neben der Degradation auch zu einer Farbverschiebung. Durch Umwelttests wie zum Beispiel Temperatur- und Feuchte-Tests oder auch UV-Tests, also Simulation von Sonnenstrahlung, können die genannten Einflüsse im Vorfeld definiert werden.

Anforderungen an den LED-Lebensdauertest

Um verlässliche Aussagen über die Lebensdauer von LEDs in sinnvollen Zeiträumen zu erhalten, sind besondere Mess-Strategien erforderlich. Die Degradation der zu messenden LED wird durch erhöhten Stress, also durch Betrieb bei einer höheren Umgebungstemperatur als der später vorgesehenen Betriebstemperatur (operating temperature) beschleunigt. Dennoch bleiben die erfassten Zeiträume kurz im Vergleich zum Lebenszyklus einer LED. Die Messwerte müssen daher mit mathematischen Verfahren extrapoliert werden, um die gewünschten Aussagen zur Gesamtlebensdauer zu erhalten. Beispielsweise ist aus einer Degradationsmessung über 1 000 Stunden auf das Bauteilverhalten über einen Zeitraum von 100 000 Stunden zu schließen. Ungenaue Messungen können daher zu erheblichen Fehlern bei der Bauteilbeurteilung führen oder das Gesamtergebnis unbrauchbar machen. Daher muss auf eine exakte Durchführung der Messungen Wert gelegt werden. Die entscheidenden Einflussfaktoren bzw. Messgrößen für die Ermittlung der Degradation – Durchlassstrom If, Durchlassspannung Uf, Umgebungstemperatur Tamb, Lichtausbeute Popt und Lichtstärke Iv – müssen daher während der gesamten Messung exakt eingehalten und gemessen werden. Entscheidend sind auch die maximal zulässige Tj und der thermische Widerstand RthJA der LED, die vom Hersteller angegeben werden.

Viele LEDs werden außerdem im Pulsbetrieb eingesetzt, um während kurzer Pulszeiten von wenigen µs und bei hoher Strombeaufschlagung größere Lichtleistungen zu erzielen. Dies führt zu stärkeren thermischen und mechanischen Belastungen als im Konstantstrombetrieb, was die Lebensdauer selbstverständlich verkürzt. Die Lebensdauerwerte für Pulsbetrieb lassen sich nicht aus den Lebensdauerwerten mit Konstantstrom ableiten, sondern müssen separat, bei vergleichbaren Messbedingungen, ermittelt werden. Für eine genaue Aussage zur Lebensdauer ist ein Lifetest an mehr als 20 Bauteilen pro Typ erforderlich.

Ansprüche an die Degradationsmessung

Das übliche Verfahren ist, die LEDs in einer Temperaturkammer bei konstantem Strom (If) und einer Umgebungstemperatur größer als die später vorgesehene Betriebstemperatur altern zu lassen. Am Messplatz müssen die LEDs stets unter gleichen Bedingungen vermessen werden; langjährige Test-Erfahrung und exakt kalibriertes Equipment sind dafür notwendig. Konstante Bedingungen müssen insbesondere für den Durchlassstrom, die Betriebstemperatur einschließlich der thermischen Ankopplung wie auch für die Lichtleistungserfassung herrschen. Bereits kleinste Abweichungen können das Messergebnis erheblich verfälschen, zumal die durch die Degradation bedingten Unterschiede zwischen den einzelnen Messungen in der Regel sehr klein sind.

Um Temperaturschwankungen zu vermeiden, sollten die LEDs für Zwischenmessungen nicht aus der Temperaturkammer entnommen werden. Die LEDs müssen daher während des Test-Zeitraums in der Prüfvorrichtung verbleiben und die Messwerte für eine spätere Auswertung gespeichert werden. Zur Analyse des Degradationsverlaufs sind parallel mehrere Messreihen für unterschiedliche Temperatur- und Strombelastung durchzuführen.

Testequipment

Die LED-Testanlage (Bild 2) bestimmt die Degradation von LEDs. Dazu werden die LEDs bei einer Temperatur von bis zu 125 °C und einem definierten Vorwärtsstrom gestresst. Die Strombelastung kann entweder konstant (bis zu 500 mA DC) oder gepulst (bis zu 3 A) erfolgen. Die Vermessung einzelner Prüflinge erfolgt automatisch zu vordefinierten Zeitpunkten, ohne die Bauteile aus der Testanlage nehmen zu müssen. Die Flexibilität dieses Systems erlaubt die Verwendung der Anlage sowohl als Burn-In-System, für Life-Cycle-Tests oder zur Qualitätsüberwachung während der Fertigung.

In der LED-Produktion bietet der fertiggestellte LED-Chip die erste Möglichkeit, die Eigenschaften zu bestimmen. Der LED-Die ist ein Schlüsselelement, das 40 % des Geldwertes einer LED darstellt. Genaue Messungen der optischen und elektrischen Parameter sowie die anschließende Kennzeichnung in Gut- und Schlecht-Dice auf dem Wafer sind daher unerlässlich, um auf wirtschaftliche Weise eine Weiterproduktion und eine hohe Qualität der fertig produzierten LEDs zu sichern. Inzwischen gibt es Testsysteme auf dem Markt, mit denen bis zu 16 Chips gleichzeitig getestet werden können (Bild 3), und die somit die Testzeiten verkürzen. Da die elektrische Verarbeitungszeit der Messdaten deutlich kürzer ist als die Stepp-Zeit der Prober, also das Weiterbewegen der Kontaktstifte zum nächsten Die, kann mit speziell entwickelten Probe-Karten in der gleichen Testzeit mehr Durchsatz erreicht werden. Eine präzise Messung gehäuster LEDswährend der Produktion stellt das Messequipment vor spezielle Herausforderungen, da CIE-konforme Messadapter eine sehr geringe Lichtdurchlässigkeit haben. Gleichzeitig sind kurze Messzeiten nötig, um sicherzustellen, dass das Equipment profitabel arbeitet. Die Varianten der zu testenden LEDs sind außerdem vielfältig, angefangen von kleinen SMT-Designs bis hin zu High-Power-LEDs. Besonders kritische Parameter sind beispielsweise die Bestimmung der dominanten Wellenlänge und der Farbkoordinaten weißer LEDs.

Durch den Einsatz in High-Reliability-Märkten sind die Anforderungen an optische Parameter der Anwenderseite von Bedeutung. Optische Eigenschaften (Tabelle) können temperaturabhängig und in Abhängigkeit der Ansteuerung gemessen werden. So hat z. B. die Deutsche Bahn spezielle Anforderungen an die Erkennweiten, die Lichtverteilungen, Farborte und Transmissionswerte von Signalen. Diese Anforderungen sind zurzeit vorgegeben durch Eigenschaften der klassischen Signale, bestehend aus Glühlampe, Farbfilter, Linse und eventuell Streuscheiben. Diese Signale der „alten“ Technik sollen nun durch LEDs ersetzt werden.

Definition des Farbortes

Der Farbort ist eine Koordinate im sogenannten CIE(Commission Internationale de l’Eclairage/Internationale Beleuchtungskommission)-Dreieck (Bild 4). Die CIE ist eine Non-Profit Organisation, die sich Standardisierung (ISO, IEC, CEN) und Informationsaustausch in der Beleuchtungsbranche zur Aufgabe gemacht hat. Das CIE-Dreieck ist ein seit 1976 festgelegter Farbraum. In ihm finden sich alle theoretisch sichtbaren Farben. Mittels Koordinaten kann jede Lichtfarbe eindeutig angegeben werden. Alle Spektralfarben liegen im Randbereich des CIE-Dreiecks. Im Normalfall ist das Auge im gelben und grünen Bereich am empfindlichsten, also werden in diesen Farbbereichen bereits geringe Unterschiede im Farbort wahrgenommen. Für Differenzen im roten Farbbereich ist das Auge nicht so empfänglich.

Selektion auf Mindestlichtstärke und Farbort

Unter Mindestlichtstärken werden in der Regel die Axiallichtstärken verstanden, die als Maß der Leistungsfähigkeit eines optischen Systems gelten. Bedingt durch den Herstellungsprozess können sogar bei LEDs eines Typs und Herstellers im direkten Vergleich Unterschiede im Farbort und in der Helligkeit auftreten. Dies ist aber nicht in allen Applikationen zulässig. Den Farbort, also die XY-Koordinate der LED exakt zu bestimmen, ist also zwingend vorgeschrieben für manche Applikationen. Z. B. in der Medizintechnik oder für Bahnsignale und Ampelanlagen gibt es Vorgaben, da hier keine für das Auge erkennbaren Unterschiede sichtbar sein dürfen bzw. Mindestlichtstärken zwingend notwendig sind. Im Bereich Automotive werden LEDs mit der exakt gleichen Wellenlänge für die Armaturanzeige gefordert.

Einteilung in Selektionsklassen

LED-Hersteller geben die Bereiche an, in denen ihre Produkte streuen. Dieses Einteilen in verschiedene, abgestufte Licht-Klassen oder Farbort-Klassen wird als „Binning“ bezeichnet. Die Eigenschaften, welche jedem „Bin“ bzw. Selektionsgrad zugewiesen sind, variieren je nach Hersteller. Sollte die Abstufung der einzelnen Licht-Klassen oder Farbort-Klassen für manche Applikationen zu grob sein, werden weitergehende Selektionen von Herstellern nur bei großen Stückzahlen an LEDs durchgeführt. So stuft microtec die Klassen auch für kleinere und mittlere Stückzahlen feiner ein, was für Anwendungen in den Bereichen Bahn, Medizin und auch Automotive aufgrund von strengen Spezifikationen wichtig ist. Das Testlabor misst außerdem die Lichtstärke an LEDs für andere Betriebsbedingungen, z. B. extreme Temperaturen, höhere Versorgungsspannung und raue oder sogar schädigende Umweltbedingungen.

Da vermehrt LEDs als primäre Lichtquelle eingesetzt werden, steigt auch der Bedarf an Tests und Zuverlässigkeitsaussagen. Der Bedarf wird dadurch verstärkt, dass LEDs nun auch in High-Reliability-Zielmärkten eingesetzt werden, die strenge Anforderungen an die Langzeitzuverlässigkeit und an die optischen und elektrischen Parameter stellen. Mögliche Ziel-Applikationen von LEDs sind im High-Reliability-Markt unter anderem Automotive (hier vor allem Armaturbeleuchtung, Scheinwerfer, Schlüssel), Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Bahn- und Straßensignale. Aber auch weniger sicherheitsrelevante Applikationen, beispielsweise Haushaltsgeräte, LED-Werbedisplays und alle anderen Arten von Lichttechnik wie Beleuchtungstechnik, Lichtarchitektur und -design. Umfangreiche Tests helfen, Parameter exakt zu definieren, Frühausfälle zu eliminieren und Aussagen zur Lebensdauer zu treffen. Der Gedanke, LEDs als Low-Cost-Produkte keinen aufwändigen Test- und Qualifikationsverfahren zu unterziehen, führt daher in eine Sackgasse. Lebensdauerabschätzung und Qualitätstests sparen auch für LEDs auf lange Sicht Geld ein.

EPP 441

Wissenswertes zum Thema

Wärmeentwicklung an LEDs:

Was viele nicht beachten, ist die starke Wärmeentwicklung beim Betrieb von LEDs, v.a. HighPower LEDs. Die Abstrahlung des Lichts erfolgt natürlich mit sehr viel weniger Wärme als bei der Glühbirne, da das Licht nicht über einen Glühfaden erzeugt wird. Das macht die LED z. B. interessant für einen Einsatz in Scheinwerfern für Theater, Film und Fernsehen.

Die Abwärme der LEDs entsteht im Halbleiter: Die Wärmeableitung erfolgt zum größten Teil über die Kontakte auf eine geeignete Wärmesenke. Eine zu hohe Erwärmung führt zu Leistungsverlust, die Lichtstärke nimmt mit steigender Temperatur ab. Dieser Effekt ist zwar reversibel, allerdings verkürzt er auf Dauer den Lebenszyklus der LED. Daher ist thermisches Management entscheidend.

Man sollte: