Kompatibilitätstest bringt alles ans Licht

Die meisten LED-Festkörperleuchten (Solid State Lights, SSL) sind mit Leuchtdioden ausgestattet, die blaues Licht abgeben. Der LED-Chip ist mit einer gelben Phosphor- und Silikon-Umhüllung umgeben, die das blaue Licht in weißes umwandelt. Überdeckt wird die Konstruktion durch eine Silikonlinse. Dabei kommen spezielle Silikon-Polymere zum Einsatz, die sich durch eine sehr gute Lichtdurchlässigkeit, hohe Stabilität, gute Formbarkeit sowie eine hohe Resistenz gegenüber Gelbverfärbung unter Einfluss von ultraviolettem Licht auszeichnen.

In einem SSL-Beleuchtungssystem können allerdings flüchtige organische Verbindungen (Volatile Organic Compounds, VOC) in die gasdurchlässige Silikonlinse und die Hülle einer LED austreten. In der Molekülstruktur dieser Materialen lagern sich diese Verbindungen an freien Stellen der Silikon-Polymere ab. Das kann unerwünschte Folgen haben, wie eine Verfärbung der VOC und damit eine Reduzierung der Lichtmenge, die eine LED-Leuchte abgibt. In der Regel driftet der Farbort sehr ins Warmweiße und der Lichtstrom bricht um ca. 50 % ein.

Solche Verfärbungen treten besonders bei LEDs auf, die Licht in den Farben blau, königsblau und weiß produzieren sowie mit LED-Chips mit blauer Wellenlänge ausgestattet sind. Eine weitere Voraussetzung ist, dass gelbe Phosphor-Materialien für das Konvertieren der Wellenlängen verwendet werden. Dieses Phänomen ist bei Leuchtdioden aller Hersteller zu beobachten.

Der Einsatz ungeeigneter flüchtiger organischer Substanzen kann nicht nur den Farbort einer Leuchtdiode verfälschen, sondern zum Ausfall einer Leuchte führen. Allerdings führen die Verfärbungen nicht zu bleibenden Schäden am LED-Chip. In der Regel lässt sich eine solche Leuchte innerhalb weniger Betriebsstunden wiederherstellen. Dazu wird entweder die Sekundäroptik entfernt oder die Belüftung verbessert. Solange die Silikon-Polymere dem Einfluss der „falschen“ VOC ausgesetzt sind, bleibt die Verfärbung allerdings bestehen.

Die Verfärbung der Umhüllung wird durch die Wärmeentwicklung, die Lichtenergie und die Wellenlänge beeinflusst. Besonders stark fällt sie dort aus, wo die Hitzeentwicklung und der Lichtstrom am intensivsten auf die Ummantelung einwirken: an der Oberseite des LED-Chips. Experten von Cree haben Tests mit unterschiedlichen VOC durchgeführt. Sie setzten dazu drei Sets mit jeweils zehn LEDs (30 LEDs insgesamt) 450 Stunden lang einer flüchtigen organischen Verbindung aus. Anschließend prüften die Ingenieure in drei unterschiedlichen Testumgebungen weitere 450 Stunden lang den Lichtstrom. Zehn LEDs wurden in einer offenen Umgebung verwendet, zehn weitere in einem System mit einer versiegelten Sekundäroptik. Bei der dritten Gruppe kam zunächst eine versiegelte Umgebung zum Einsatz. Nach 325 Stunden wurde der Systemaufbau belüftet.

Bei der ersten Testgruppe in offener Umgebung war keine Abnahme des Lichtstroms zu verzeichnen. Die LEDs im geschlossenen Systemaufbau hatten hingegen nach 450 Stunden 90 % ihrer Lichtleistung verloren. Bei der dritten Gruppe trat zunächst derselbe Effekt auf. Nachdem die LEDs nicht mehr der VOC ausgesetzt waren, erholte sich die Lichtleistung jedoch vollständig.

Um negative Effekte durch chemische Substanzen zu vermeiden, sollten bereits im Vorfeld alle Materialien getestet werden, die in einer LED-Leuchte zum Einsatz kommen und ausgasen können. Passende Materialien sind für die Performance einer LED-Leuchte ebenso wichtig wie der Kühlkörper, die Treiberelektronik und die optischen Komponenten.

Generell sollten Entwickler nur auf Materialien zurückgreifen, die vom LED-Hersteller oder dem Lieferanten der Komponenten freigegeben wurden. Aber auch bei diesen Stoffen ist Vorsicht angesagt. So sollten sie beispielsweise nicht direkt mit der LED-Linse in Kontakt kommen, da dies die optischen Eigenschaften und Haltbarkeit der Leuchtdiode beeinträchtigen kann.

Negative Effekte lassen sich ausschließen, wenn die verwendeten Materialien auf chemische Kompatibilität getestet werden. Bei der Untersuchung sollten folgende Komponenten mit einbezogen werden: Dichtungen, Klebstoffe, Beschichtungen, Lötpasten und alle Chemikalien, die in der Nähe einer LED-Linse verbaut werden.

LED-Hersteller wie Cree stellen Entwicklern zu diesem Zweck über ihre Händler Test-Kits zur Verfügung. Sie bestehen aus einer Leiterplatte mit Metallkern (Metal-Core Printed Circuit Board = MCPCB) mit sechs LEDs sowie Glasbehältern und Klebstoff. Damit lässt sich eine von der Umgebungsluft separierte Testumgebung aufbauen. Ausgesuchte Händler liefern Test-Kits, bei denen die MCPCBs bereits mit LEDs bestückt sind. Hinzu kommen Arctic Silver und ein Wärmeleitkleber. Beide Stoffe lassen sich nachweislich ohne Probleme in der Nähe von High-Power-LEDs einsetzen.

Über die Jahre hat der LED-Hersteller zusammen mit seinen Partnerunternehmen das Verfahren der Kompatibilitätstests optimiert. Ursprünglich wurden verschiedenste Materialien untersucht und auf dieser Basis entsprechende Empfehlungslisten erstellt. Damit konnte allerdings nur ein marginaler Anteil der am Markt verfügbaren Materialien abgedeckt werden.

Um dies zu vermeiden, setzt man im Unternehmen heute auf ein Netzwerk aus hochkarätigen Herstellern chemischer Komponenten, das im Rahmen des unternehmensinternen CSP-Programms (Cree Solution Partners) initiiert wurde. Die Partner testen ihre Produkte im Zusammenspiel mit den Komponenten des Unternehmens und können so deren Kompatibilität offiziell bestätigen. Im Gegenzug verweist man seine Kunden bei der Wahl der benötigten Komponenten auf die Partner. So spart sich auch der Kunde zeit- und kostenintensive Testreihen.