Что такое деградация светодиодов

Проблемы надежности светодиодов

Начало 21 века ознаменовалось стремительным развитием светотехники на основе полупроводниковых источников света, на которые сделана ставка в решении задач, поставленных в Федеральном законе №261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности…».

Широкое внедрение новой техники и технологий в освещении стало причиной того, что на внутренний рынок РФ хлынул поток светодиодной продукции низкого качества. Все преимущественные характеристики светодиодных источников света, такие как срок службы 50 – 100 тыс.

часов, степень защиты 1Р – 65, высокое качество цветопередачи, которые рекламируются фирмами – производителями, в действительности оказываются значительно ниже заявленных (полезный срок службы светодиодов может достигать 5 – 10 тыс. часов).

В светодиодных излучающих системах спад светового потока происходит значительно быстрее, чем в люминесцентных лампах. Причиной этому является быстрая деградация излучающих первичных элементов, белого люминофора и полимерных материалов линз. Рассмотрим основные неисправности светодиодов.

Деградация кристалла.

Одна из причин деградации кристалла светодиода является рост дефектости кристаллической решетки. Причём области кристалла, где появляются дефекты, продолжают потреблять энергию и генерировать тепло без излучения.

Другой причиной деградации является электрическая миграция в кристалл материалов, из которых сделаны электроды.

В кристалл проникают атомы металлов, из которых сделаны электроды, и нарушают кристаллическую структуру, образуя каналы утечки, в результате чего многократно возрастает ток утечки.

Значительная часть тока начинает проходить через металлические включения кристалла, которые не излучают свет. В результате уменьшается напряжение на электродах светодиода и уменьшается световой поток.

Этот процесс протекает гораздо быстрее при высоких рабочих температурах и работе светодиодов на токах, превышающих номинальные значения. Зависимость показателей деградации кристаллов от выбранного значения рабочего тока представлена на рисунке 1.

Некоторые производители специально повышают рабочий ток светодиода («разгоняют») для получения большей яркости, но при этом не обеспечивают должный отвод тепла. Как следствие, срок службы кристалла значительно сокращается.

Например, зачастую азиатские производители в светодиодные световые приборы устанавливают кристаллы, предназначенные для подсветки экранов мобильных телефонов, рассчитанные на ток 3-5мА, а устанавливают рабочий ток 20 мА. Такие световые приборы отрабатывают не более 2000 часов.

Видимо, такой подход очень не дорог и весьма практичен, что позволяет быстро одержать победу в недобросовестной конкуренции. По мнению некоторых специалистов, к возникновению дефектов в кристаллической решетке может привести действие статического электричества.

Деградация люминофора.

Деградация люминофора является основной причиной снижения светового потока светодиодов.

Большинство люминофоров постепенно теряют свою эффективность, что может быть связанно как с изменением валентности активаторов за счёт окисления, так и деградацией кристаллической решётки, когда атомы диффундируют через материал и химически реагируют с окружающей средой.

Эти процессы протекают из-за большой удельной лучистой нагрузки и высоких температур, так как люминофор наносится непосредственно на кристалл, который нагревается и имеет большую плотность излучения.

Высокая температура люминофора может быть причиной безызлучательных переходов и обратимого снижения квантового выхода люминесценции и светового потока светодиода.

Совместное воздействие высокой удельной нагрузки оптического излучения и высокой температуры способны спровоцировать кооперативные процессы, приводящие к перестройке структуры излучающих центров и явиться причиной необратимого снижения квантового выхода люминесценции и старения светодиода. В результате деградации происходит не только снижение квантового выхода люминофора, но и изменение спектральных характеристик его свечения. Например, при старении люминофора заметно проявляется синий оттенок свечения светодиода, что связано как с изменением свойств самого люминофора, так и с тем, что в спектре начинает доминировать собственное излучение кристалла.

В связи с тем, что для определения фотостойкости светодиодных люминофоров не разработаны методы и ГОСТы контроля, целесообразно применять методику оценки показателей долговечности люминофоров люминесцентных ламп, рекомендуемую ГОСТ 6825-91.

Согласно этой методики, качество люминофорных покрытий определяется по данным стендовых испытаний контрольных ламп, изготовленных из текущих партий люминофоров. Лампы испытывают в номинальном режиме эксплуатации в течении не менее 100 часов, производя измерения светового потока ламп.

По данным измерений строят график спада светового потока, экстраполируя данные на весь срок службы, и определяют качество люминофорных покрытий. Низкая производительность, большие материальные и энергетические затраты этой методики обусловливают актуальность разработки ускоренного способа контроля.

Светотехническое производство нуждается в способах и средствах оперативного текущего контроля люминофоров на любой стадии изготовления источников света: от входного контроля поступающих в производство партий люминофора до промежуточных, на любой стадии изготовления, создающих предпосылки совершенствования технологии и повышения качества источников света и самих люминофоров.

Методологически проблема разработки эффективного способа контроля фотостойкости люминофорного покрытия предполагает решение двух основных задач:1. Выявление механизмов старения люминофорного слоя светодиодов в условиях совместного воздействия высокой удельной нагрузки оптического излучения и высокой температуры.2. Соблюдение условий автомодельности в способе экспресс – контроля.

Деградация первичной оптики.

Первичная оптика светодиодов чаще всего изготавливается из пластмассы или силикона.

В светодиодах белого свечения, построенных на базе ультрафиолетовых светодиодов, покрытых трехцветным люминофором, помутнение этих материалов может быть обусловлено действием большой удельной лучистой нагрузки и высоких температур, поэтому предложенную нами методику можно перенести на контроль деградации оптических материалов.

Длительное воздействие оптического излучения кристалла большой удельной нагрузки на органические и неорганические материалы сопровождается снижением прозрачности оптических элементов конструкции светодиодов, что, в конечном счете, приводит к снижению световой эффективности и световой отдачи светодиодных изделий.

(с)И. В. Васильев, А.Т. Овчаров, Т. Г. Коржнева

Источник: https://alternativenergy.ru/tehnologii/321-neispravnosti-svetodiodov.html

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.

См. также:                                                      Температурный режим белых светодиодов
Неисправности светодиодов. Механизмы возникновения и методы анализа
Светодиоды с высокой эффективностью при больших значениях тока
Современный подход к разработке светодиодного освещения

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.

Читайте также:  Подогрев бассейна своими руками

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/cм2.

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

Назад к каталогу статей >>>

Источник: http://led-displays.ru/nadejnost.html

Основные характеристики светодиодов — DRIVE2

Приветствую Вас, друзья мои!
Немного теории собранной с разных сайтов, пригодится для начинающих led-тюнеров =)
Итак, основные характеристики светодиодов:

сила света (эффективность)угол излучения,мощностьрабочий токцвет (температура свечения)деградация светодиодаИндикаторные светодиоды (ILT) (3; 4,8; 5, 8, 10 мм светодиоды с линзой)СМД (SLT) светодиоды (3528, 5050)Мощные (PLT) светодиоды

RGB светодиоды

Эффективность (светоотдача).Отношение светового потока к потребляемой мощности (Лм/Вт).

Это та величина, которая в первую очередь попадает во внимание специалистов, потому что именно по эффективности определяется применимость светодиодов для систем освещения.

Для сравнения:лампочка накаливания: 8-12 лм/Вт; люминесцентные (энергосберегающие) лампы : 30-40 Лм/Втсовременные светодиоды: 120-140 Лм/Вт

газоразрядные лампы (ДРЛ): 50-60 Лм/Вт

Показатели очень хорошие, что позволяет успешно конкурировать с люминесцентными, натриевыми, галогеновыми лампами. Более того, светодиоды уже выигрывают по этому показателю у газоразрядных ламп, т.к. весь световой поток у них идет в одну полуплоскость, поэтому не требуются разного рода отражатели.

Цветовая температура

Цветовая температура используемых светодиодов: 2500 Кельвинов- 9500 Кельвинов.-2500-3000 Кельвинов: теплый белый свет. (warm white или сокращенно WW) Он ближе к лампам накаливания.-4000-5000 Кельвинов: нейтральный белый свет.( white neutral или сокращенно NW)

-6500-9500 Кельвинов: холодный белый свет. (cold white или сокращенно CW)

По источникам независимых исследований, именно нейтральный белый свет является наиболее комфортным для офисной работы, и в нем предметы становятся наиболее четкими. Нашей компанией используются светодиоды с нейтральным светом .Кроме того, в осветительных приборах мы используем цветные светодиоды (основные цвета : красный, синий, зеленый, желтый) и светодиоды RGB(полноцветный светодиод).

Мощность светодиодов.— малой мощности: до 0,5 Вт (20-60 мА)— средней мощности:0,5-3Вт (100-700 мА)

— большой мощности: более 3-х ватт (1000м А и более)

Угол свечения
как правило 120-140 градусов, в индикаторных 15-45 градусов.

Деградация (ресурс) светодиодов.
Очень важный показатель. Многие производители декларируют около 100 тысяч часов и даже более.

Какие факторы оказывают влияние на ресурс светодиодов? В первую очередь это токовая деградация. Если через диод пропустить силу тока большую, чем та, на которую он рассчитан, то наступает быстрая деградация.

Как правило: в пределах первых 1000 часов. Этим пользуются недобросовестные производители.

Следующий фактор – температурная деградация. Светодиод в процессе работы нагревается. И, если не отводить тепло, то диод быстро потускнеет. Для отвода тепла применяется много конструкторских решений. В наших светильниках применяется плата с алюминиевой подложкой.

Подложка в свою очередь имеет механический контакт с корпусом светильника, что дополнительно отводит тепло. Главное: в точке пайки светодиода соблюдать температурный режим не более 65 градусов Цельсия. В наших светильниках это достигается.

Читайте также:  Крыша из наплавляемых материалов

Соответственно, находясь в рабочем режиме, ресурс диодов в предлагаемых светильниках составляет декларируемые 40-50 тысяч часов.

Индикаторные светодиоды (ILT)
Сегодня являются лидерами в повсеместном использовании. Появившись в 60-х годах, они быстро завоевали популярность, вытеснив лампы накаливания, используемых в качестве подсветки и индикации.

А использование в данных светодиодах кристаллы с повышенной яркостью позволяют использовать их в мощных светоизлучающих устройствах (фонари, стоп-сигналы, индикаторные огни, светофоры, DIP-ленты и т.д.).

На сегодняшний день практически ни одна бытовая техника не обходится без индикаторного светодиода. Существуют следующие стандартные типоразмеры индикаторных светодиодов : 3; 5; 4,8; 8 и 10мм.

Рабочий ток таких светодиодов как правило 20-40мА, световая отдача может доходить для белого света 3-5Лм со светодиода. Угол излучения у данных светодиодов либо узкий (15-45 градусов), либо широкий (110-140 градусов).

SMD-поверхностный монтажТехнология изготовления электронных изделий на печатных платах, а также связанные с данной технологией методы конструирования печатных узлов.

Технологию поверхностного монтажа печатных плат также называют ТМП (технология монтажа на поверхность), SMT (surface mount technology) и SMD-технология (от surface mounted device — прибор, монтируемый на поверхность), а компоненты для поверхностного монтажа также называют чип-компонентами. Данная технология является наиболее распространенным на сегодняшний день методом конструирования и сборки электронных узлов на печатных платах. Основным ее отличием от «традиционной» технологии сквозного монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность печатной платы, однако преимущества технологии поверхностного монтажа печатных плат проявляются благодаря комплексу особенностей элементной базы, методов конструирования и технологических приемов изготовления печатных узлов.

Наиболее популярные SMD(SLT) светодиоды это светодиод 3528 и 5050.

Светодиод 3528Основные характеристики:-Рабочий ток 20-25мА-Мощность 0,07Вт-Световой поток 3-7Лм-напряжение питания 3-3,2В (для белого светодиода)-цвета: все оттенки белого, красный, зеленый, синий, желтый-норма упаковки – бабина 2000 штук.Использование : Светодиодные ленты, лампы, автолампы, панели, светильники.
Светодиоды 5050В светодиоды 5050 используются однотипные кристаллы как и в светодиоде 3528 , только в количестве 3-х штук. А использование 3-х кристаллов разных цветов (красного, зеленого и синего) позволяют получить маломощный RGB светодиод.Основные характеристики:-Рабочий ток 60-75мА-Мощность 0,21Вт-Световой поток 10-21Лм-напряжение питания 3-3,2В (для белого светодиода)-цвета: все оттенки белого, красный, зеленый, синий, желтый, RGB-норма упаковки – бабина 1000 штук.

Использование : Светодиодные ленты, лампы, автолампы, модули, панели, светильники.

Светодиоды PLTДля производства светодиодного оборудования используются светодиоды средней и большой мощности . Все они маркируются как светодиоды PLT. Сравнительная характеристики используемых светодиодов представлена в таблице:

RGB-светодиодЭто просто три близко расположенных светодиода под одной линзой: красный — Red, зелёный — Green и синий — Blue, отсюда и название. Как известно, сочетанием этих трёх цветов можно получить любой другой цвет.

Обычно у этих трёх светодиодов объединены плюсовые (с общим анодом) или минусовые (с общим катодом) выводы, соответственно, всего у RGB четыре вывода, хотя иногда бывает, что все шесть выводов делают раздельно. То есть, фактически, управление RGB — это управление тремя светодиодами.

Яркость свечения светодиода зависит от протекающего через светодиод тока.

Всех Вам благ, и ровных дорог!Всем пис peace =)

Источник: https://www.drive2.com/b/1019388/

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.

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.

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.

Источник: http://led-obzor.ru/primer-vyigoraniya-svetodiodov

О деградации белых светодиодов

Методы повышения эффективности: разгоняем светодиод.

В последнее десятилетие светодиоды стали чем-то большим, чем просто электронные компоненты. Сохранив свои сигнальные и индикаторные функции, новые сверхяркие светодиоды начали заменять обычные лампы накаливания и неоновые лампы.

И хотя лампочки Ильича еще крепко держатся в своих патронах, перспективы глобального рынка освещения на ближайшие десятилетия просматриваются как полная замена традиционного освещения на светодиодный свет (led light) в масштабах всей планеты.

Конца и края этого процесса не видно, и единственным фактором, сдерживающим переход на светодиодные технологии в освещении, является цена вопроса. В настоящее время светодиоды могут достичь отношения $0.1-0.05 долларов за люмен, что на два порядка выше величины для обычных ламп.

Производители светодиодов быстро поняли, что теперь основным ценообразующим фактором является отнюдь не функциональность светодиода, а испускаемый им световой поток. В связи с этим они задались вопросом: а как, собственно, повысить эффективность светодиодов и снизить их стоимость?

Увеличение эффективности выхода света может быть реализовано различными способами: усовершенствованием качества материалов, улучшением структуры чипа и технологии его формирования, текстурированием поверхности, улучшением свойств подложки и т.д.

Снижение стоимости света может быть достигнуто увеличением плотности тока, проходящего через светодиодный чип.

Если зависимость квантового выхода от прямого тока весьма линейна до определенного значения тока без насыщения, то поток света, исходящий от одного эмиттера с тем же самым размером чипа, может быть в разы выше на более высоких токах. Сотоветственно отношение доллар/люмен будет меньше.

Максимальный ток, который может быть пропущен через светодиодный чип, зависит от следующих двух факторов:

  • ток, на котором чип может работать без существенной деградации;
  • ток, при котором эффективность светодиодного чипа (люмен/ватт) понижается не слишком сильно.

В недавнем прошлом светодиоды работали с плотностью тока 20А/см2. Теперь некоторые мощные светодиоды (Power LEDs) работают на 70-100А/см2.

Чтобы обеспечить длительную работу мощных светодиодов без существенной деградации, необходимо подобрать светодиодный чип с лучшими свойствами по отводу тепла и разработать соответствующий корпус.

AlGaInP и AlGaInN чипы выращены на арсенид-галлиевых и сапфировых подложках соответственно. Эти подложки не являются хорошими теплопроводящими материалами. Теплопроводность GaAs и Al2O3 — 44Вт/(м-К) и 35Вт/(м-К).

Для более эффективного удаления тепла и снижения температуры перехода существуют три различных подхода:

  • уменьшение толщины подложки;
  • технология обратного монтажа (flip chip), позволяющая расположить испускающий свет p-n переход близко к теплоотводу;
  • удаление первоначальной подложки, которая используется для роста светодиодных гетероструктур, и затем — перемещение эпитаксиальных слоев на электро- и теплопроводное основание.

Первый подход — самый легкий, но сделать подложку тоньше чем 50 нм довольно проблематично.

Второй подход уже использовался Matsushita и Lumileds, чтобы улучшить как эффективность выхода, так и отвод тепла в GaN светодиодах. Многие компании также разработали flip chip технологию для AlGaInP светодиодов в целях увеличения эффективности и операционных характеристик на высоких токах. Однако, flip chip процесс достаточно сложен и дорог.

Читайте также:  Декоративные экраны (решетки) для батарей. какие выбрать?

Многие компании, включая Osram, Nichia, Sanken, VPEC, AET Optotech, Arima и Epistar, объявили об успешной разработке технологии thin film transfer, используя третий подход. Этот подход является самым эффективным по стоимости способом для изготовления светодиодных чипов высокой мощности.

Разгон по-китайски

Рассмотренные выше подходы повышения эффективности и снижения стоимости светодиода могут быть применены производителями светодиодных структур. Многочисленные же потребители светодиодных чипов имеют меньше инструментов для снижения стоимости светодиодного света.

На каких токах способен работать светодиодный кристалл, какой максимальный выход света он может обеспечить? Однозначно ответить трудно.

Ключевой вклад в обеспечение длительного срока службы, надежности и эффективности вносит корпусировка ярких светодиодов.

Теоретически, решив вопрос отвода тепла от активной зоны, можно заставить работать чип на более высоких токах, обеспечив тем самым более высокий квантовый выход.

Грамотный проект линзы позволит снизить внутреннее поглощение и отражение, существенно повысив оптическую эффективность. А резервы для повышения здесь большие. Например, эффективность оптической системы 5мм светодиодов не превышает 30%.

Но жажда наживы, а также сложившийся уровень цен продиктовали иное поведение на рынке.

Многочисленная армия китайских производителей светодиодов быстро применила вышеупомянутый принцип разгона светодиодов по току, предлагая 0.04-0.03 доллара за люмен. Чтобы понять, насколько адекватна цена заявленным характеристикам, мы протестировали сотни образцов светодиодов белого свечения от различных азиатских производителей.

Подавляющее большинство белых светодиодов подверглось необратимой деградации: световой поток уменьшился до 50% величины от первоначального значения уже в течение 1-2 месяцев (700-1500 часов); в ряде случаев также наблюдалась деградация фосфора и связанное с этим изменение цвета светодиодов.

Мы исследовали причины столь сильной деградации:

Величина прямого тока

Декларируя 50-100 тысяч часов работы для своих оптоэлектронных приборов при токе 20мА, в подавляющем большинстве случаев азиатские производители устанавливают чипы, на самом деле предназначенные для подсветки экранов мобильных телефонов и рассчитанные на ток 3-5мА.Видимо, такой подход очень не дорог и весьма практичен, что позволяет быстро одержать победу в недобросовестной конкуренции.

Тепловыделение

Корпуса, используемые для светодиодов, были разработаны относительно давно, и, используя высокоавтоматизированные процессы сборки, обеспечивают минимальную конечную стоимость компонентов. Но такая упаковка не была рассчитана для установки ярких светодиодов.

Размер посадочного места для кристалла не превышает 12mil, посадка кристалла возможна только по классической схеме, а конструкция корпуса не обеспечивает необходимый отвод тепла. Плотно укутанный в эпоксидную шубу светодиодный чип подвержен быстрой деградации квантового выхода.

Применение теплопроводных упаковочных материалов, похоже, не котируется среди азиатских производителей, так как приводит к повышению стоимости конечных продуктов.

Качество используемых чипов

Мы произвели опрос фабрик, предоставивших образцы светодиодов на предмет происхождения и типа используемых кристаллов.

При всем разнообразии поставщиков светодиодных структур, подавляющее большинство производителей светодиодов использовало кристаллы, изготовленные по однотипной технологии и имеющие широко известную структуру — прототип фирмы Nichia с прозрачным p-контактом.

На сегодняшний день это наиболее дешевая технология, обеспечивающая высокую эффективность квантового выхода и уже нашедшая широкое применение в мобильных устройствах. Кристаллы данного типа плохо ведут себя в условиях горячего окружения, и их использование в дискретных компонентах, предназначенных для освещения, крайне нежелательно.

Кроме того, по своим характеристикам они значительно уступают (если не сказать, что вообще имеют мало общего) кристаллам Nichia, по всей вероятности из-за несовершенства оборудования и несоблюдения технологического процесса их выращивания.За последние годы десятки неизвестных азиатских производителей установили реакторы МОС-гидридной эпитаксии (MOCVD).

В то время как выращивание полупроводниковых эпитаксиальных гетероструктур – процесс сродни искусству. Помимо установки соответствующего оборудования, требуется глубокое понимание процессов, происходящих в гетероструктурах и многолетний технологический опыт.

Чтобы получить представление о внутренних факторах деградации, читайте статью «Неоднородность инжекции носителей заряда и деградация синих светодиодов».

Нарушение технологии при сборке светодиода

Нельзя однозначно выделить ту или иную причину, приводящую к ухудшению свойств, деградации и отказу светодиодов. Подробно причины и механизмы отказа светодиодов освещены в статье «Срок службы сверхярких светодиодов. Причины отказов.».

Подведем итог

Недобросовестная конкуренция среди китайских и других азиатских производителей привела к тому, что мы имеем: в ярких белых светодиодах (White HB LEDs) устанавливаются наиболее дешевые кристаллы из доступных на рынке, малоизвестных производителей, предназначенные для других применений, мелко нарезанные и подверженные деградации, как тепловой ввиду особенностей используемой технологии, так и электрической ввиду качества техпроцесса. Установлены такие кристаллы в корпуса, более чем скромные по своим тепловым, оптическим и другим свойствам. Причём изначально эти светодиоды признаются годными, поскольку стартовые яркость (световой поток / осевая сила света), падение напряжения на переходе, цветовые координаты и другие параметры соответствуют всем характеристикам, указанным в спецификации производителя.

Многие импортеры, не имеющие условий для полноценного тестирования, заключили контракты на дистрибуцию таких компонентов, руководствуясь исключительно низкой закупочной ценой. В действительности же срок службы таких компонентов не превышает нескольких сотен часов, что подтвердилось в ходе произведенных испытаний.

Все ли азиатские светодиоды плохие?

Нет, не все. Для примера приведем такие достойные компании как Harvatek, Cotco, Everlight.

Кроме того, динамично меняющееся состояние рынка светодиодной продукции диктует необходимость не только осуществлять мониторинг новаций и разработок технологических лидеров отрасли, но и принимать правильные решения в стратегии использования тех или иных светодиодов в устройствах на их основе. Нет никакой необходимости украшать новогоднюю елку светодиодами Cree, но и не стоит использовать noname компоненты в сколь-нибудь ответственной аппаратуре.

Но время не стоит на месте, и твердотельный свет неизбежно становится все более доступным.

Источник: https://planar-lighting.ru/proekty/degradacii-svetodiodov

Деградация светодиодов – что это?

Термин «деградация светодиодов» используется для обозначения процесса преждевременного выхода полупроводниковых источников из строя. Он возникает по разным причинам, но результатом всегда будет ухудшение или прекращение излучения светодиодов. Предлагаем рассмотреть причины деградации LED-элементов.

Деградация светодиодов – что это за процесс?

Деградация светодиодов – что это? Под деградацией понимается процесс старения светодиодов, который выражается в снижении яркости свечения, изменения цветовой температуры или полном выходе элементов из строя. Это может быть вызвано объективными и необъективными факторами.

Необъективные факторы старения светодиодов

Причины, которые вызывают стремительную деградацию полупроводниковых источников:

  • Некачественная сборка – если производитель пренебрегает стандартами в сборке светодиодных изделий (например, устанавливает современные мощные светодиоды в корпус для маломощных моделей прошлого поколения или использует заведомо некачественные чипы), нужно понимать, это повлечет деградацию светодиодов намного раньше заявленного срока эксплуатации;
  • Неправильные условия эксплуатации и монтажа – отказ от использования алюминиевого профиля или алюминиевой полосы под LED-ленту; установка современного мощного светодиода на чип, рассчитанный на модели диодов прошлого поколения; механическое воздействие; размещение светодиодного изделия под ярким солнечным светом; любительская пайка светодиодов с несоблюдением основных правил и т.д.

Все эти факторы приводят к плохому отведению тепла от работающих светодиодов и их перегреву, несоответствующей условиям эксплуатации силе тока, внешнему нагреванию корпуса, возрастанию температуры внутри устройств. Такие последствия провоцируют быструю деградацию светодиодов.

Объективная деградация светодиодов со временем

Под деградацией светодиодов со временем понимают процесс естественного старения LED-элементов. В частности, это относится к светодиодам белого цвета.

Их изначально синий поток света корректируется покрытием из люминофора. При разрушении слоя люминофора со временем спектр цветовой температуры меняется в сторону холодных голубоватых оттенков.

Показатели естественной деградации рассчитывают производители и указывают в спецификации к светотехническим изделиям.

Однако важно понимать, что исследования долговечности и корректной работы светодиодов проводятся в лабораторных условиях при определенном температурном и влажностном режиме. При эксплуатации светодиодов в реальных условиях показатели их долговечности могут быть объективно ниже.

Источник: https://svetomaniya.ru/blog/stati/degradaciya-svetodiodov–chto-eto

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.

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.

Также читайте:

Источник: http://FasadDomStroy.ru/otdelka-doma-dizajn/chto-takoe-degradaciia-svetodiodov.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector