Факторы срока службы светодиодов
28.02.20172 528

Вокруг вопроса срока службы светодиодов все еще существует некоторое непонимание, хотя, казалось бы, производители светодиодных компонентов никаких секретов в этом вопросе не делают, да и сведения из физики твердотельных источников светового излучения широко доступны.

Срок службы светодиода не является статической величиной и определяется условиями эксплуатации, прежде всего температурным режимом p-n перехода. Соответствующие зависимости предоставляются производителями в спецификациях к продукции. Температура зависит от теплоотвода и от протекающего через светодиод тока.

led-lifetime-factors-1

Температура перехода определяет скорость деградации светодиодного кристалла – основного, но не единственного фактора снижения яркости светодиода. Также снижение яркости ниже определенного порога (25%, 30% или даже 50% — в зависимости от того, что понимает под окончанием срока службы каждый конкретный производитель) может быть обусловлено ухудшением оптических свойств первичной оптики, свойств люминофора. Также на срок службы влияет накопление со сроком службы механических деформаций светодиодного компонента.

Рассмотрим все факторы последовательно.

Определение ресурса светодиодов

Производители светодиодов приводят данные о сроках службы выпускаемых компонентов и даже температурные зависимости срока службы. Каким образом получают информацию, учитывая, что заявленные сроки службы не позволяют проводить испытания в нормальных условиях?

Обычно под сроком службы понимают время, которое устройство работает до момента выхода из строя. Причем момент выхода из строя – 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 фирмами. Одни производители считают таким порогом снижение светового потока на 25% или 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.

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 промежуток времени уже для нормальных условий эксплуатации.

Наиболее часто используемой для определения рабочего ресурса светодиодов является 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 Аррениуса. Средняя наработка на отказ является величиной, обратной интенсивности отказов.

led-lifetime-factors-6

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). 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.

Некоторые тесты, используемые компанией Сree для определения надежности светодиодов

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

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

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.

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.

led-lifetime-factors-2

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.

Другой причиной является 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.

Скорость деградации кристалла значительно увеличивается при повышении силы тока свыше номинального значения, а также при повышении температуры.

Деградация кристалла проявляет себя также снижением напряжения на светодиоде. Эта особенность используется для автоматического отключения вышедшего из строя светодиода. Если в светильнике есть встроенная интеллектуальная система управления, то она отключит вышедший из строя светодиод и так перераспределит токи в оставшихся светодиодах, чтобы они не превысили максимально допустимого уровня. Наряду с системой автоматического отключения неисправных светодиодов в светильнике может также использоваться адаптивная система управления силой тока, подаваемого на светодиод, рассказ о которой выходит за рамки данной статьи.

При всей важности учета процесса деградации кристалла при определении ресурса светодиода, деградация светодиода определяется и многими другими факторами.

Деградация люминофора

Подобно люминесцентным лампам, светодиоды имеют люминофор. Это позволяло на заре светодиодной эры некоторым специалистам, скептически относящимся к использованию светодиодов для освещения, высказывать тезис, что срок службы светодиода не может быть больше срока службы люминесцентной лампы, т.е. 10000 часов. Однако такое сравнение некорректно. Во-первых, значительный вклад в деградацию люминофора в люминесцентных лампах играет явление распыления пасты, покрывающей электроды. В светодиоде такого явления нет. Во-вторых, в светодиодах используются совершенно другие, более дорогие люминофоры. Например, одним из широко используемых вариантов люминофора является галлий-гадолиниевый гранат, активированный церием. Такие люминофоры обладают большим сроком службы.

led-lifetime-factors-4

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.

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

При производстве светодиодов в них могут возникать внутренние напряжения, которые проявляют себя позже.

led-lifetime-factors-5

Кристалл светодиода с припаянными к нему выводами и теплоотводящей подложкой заливают прозрачной пластмассой. Некачественные паяные соединения могут со временем разрушаться. Если разрушаются паяные соединения электродов, то произойдет разрыв 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 напряжения в пластмассе. Они возникают как в результате нарушения технологии производства, так и в процессе эксплуатации светодиода при температуре, превышающей максимально допустимое значение.

Помутнение первичной оптики

Первичная оптика светодиодов (т.е. оптическая система, непосредственно встроенная в светодиод) 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. В белых светодиодах на базе кристаллов синего свечения помутнение первичной оптики может опять-таки быть вызвано сильным перегревом.

Срок службы светильника

Итак, основной проблемой, вызывающей снижение рабочего ресурса светодиодов, является нарушение температурного режима при эксплуатации. В свою очередь, температурный режим определяется конструкцией светильника. Поэтому более корректным будет говорить не о сроке службы светодиодов, а о сроке службы светильника. К сожалению, в рекламных материалах производители зачастую указывают именно срок службы светодиодов, когда в светильнике из-за перегрева светодиоды могут работать меньше заявленного производителем срока (но при нормальных условиях работы сроки службы светодиодов и всего светильника могут совпадать).

Обеспечение температуры светодиодов (а, в конечном счете, температуры p-n перехода) в заданных пределах путем отвода тепла называется термоменеджментом. К вопросам термоменеджмента относится не только конструкция теплоотвода, но и конструкция всего корпуса.

led-lifetime-factors-3

Наряду с обеспечением отвода тепла, важна автоматика, управляющая питанием светодиодов. Если обнаруживается, что светодиоды перегреты, а система охлаждения уже не справляется, должна уменьшаться подаваемая на светодиоды мощность.

Помимо управления температурой p-n перехода, в светильнике есть еще два узла, которые оказывают важное влияние на срок службы всего устройства: драйвер и вторичная оптика.

Современная элементная база позволяет создавать драйверы со сроком службы 50000 часов и более. Также важны стабильность напряжения питания и силы тока, которые дает драйвер, а также его устойчивость к всплескам сетевого напряжения.

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 проблема потускнения металлической поверхности. Указанные проблемы решаются путем использования современных материалов, а также герметизацией корпуса светильника.

«Разгон» светодиодов

Из светодиода можно «выжать» большее, если заставить его работать в режиме, не предусмотренном в документации. В чем-то это напоминает «оверклокинг» компьютеров, с той лишь разницей, что повышают не тактовую частоту, а силу тока, протекающего через светодиод. Занимаются «разгоном» светодиодов не только энтузиасты, пытающиеся понять пределы возможностей электронных компонентов, но и некоторые малоизвестные фирмы из Юго-Восточной Азии.

Следует различать два вида «разгона» светодиодов. Первый связан с завышением рабочего тока в характеристиках светодиода. Существуют небольшие фирмы, которые занимаются установкой кристалла, покрытого люминофором, в корпус. Полученное изделие продвигается на рынок под своим брендом. Но один и тот же производитель кристаллов поставляет свою продукцию десяткам производителей светодиодов. Как тогда обогнать конкурентов? Недобросовестные компании идут по пути указания в документации большего номинального значения силы тока, протекающего через светодиод, чем рекомендуют производители кристаллов. В результате повышается яркость светодиода, но при этом снижается время его работы.

Второй способ связан с заведомым превышением производителем светильника номинального тока питания светодиодов. В итоге достигается та же цель – повышение яркости, на этот раз светильника. Но и время работы уменьшается.

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 силы тока над максимально допустимым значением.

Выводы

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.


vd-mais-professional-distributorЗа консультациями по применению современных светодиодов в системах светодиодного освещения различного назначения обращайтесь в отдел электронных компонентов компании VD MAIS — официального дистрибьютора продукции CREE в Украине.