Jak zkontrolovat LED v lustru – nejspolehlivější metody

LED diody otevírají cestu k novým aplikacím a trhům v široké škále oborů se širokou škálou požadavků. Kromě jiných užitných vlastností se polovodičové zářiče obecně vyznačují vysokou spolehlivostí a jejich životnost může přesáhnout 50 tisíc hodin. Špatné dílenské zpracování a nepříznivé provozní podmínky mohou vést k výraznému snížení spolehlivosti. Aby se předešlo poruchám nebo aby bylo dosaženo rychlého řešení stávajících problémů, je zapotřebí dobrá znalost mechanismů degradace LED a vhodných metod pro analýzu těchto procesů. Tento článek poskytuje přehled moderních metod pro analýzu poruch LED.

LED – základní funkce a technologie

LED čip, který funguje jako centrální prvek LED, je polovodič, který generuje světlo při průchodu elektrického proudu přes pn přechod v propustném směru, po kterém následuje rekombinace elektronů a děr s emisí fotonů v důsledku přechodu elektronů z jedné energetické hladiny na druhou. Aktivní zóna je komplexní struktura skládající se z epitaxních vrstev. Pro různé barvy se používají různé kombinace materiálů: InAlGaP – červená, InGaN – modrá, GaAlAs – infračervená, AlGaN – ultrafialová. Účinnost generování světla je v podstatě určena materiálem a kvalitou epitaxních vrstev.

Hlavními provozními parametry jsou elektrický proud a teplota Tj uvnitř aktivní vrstvy, které ovlivňují jak účinnost, tak barvu. Tyto parametry také do značné míry určují životnost LED.

Na trhu jsou dostupné LED diody, které jsou vytvořeny pomocí různých technologií. Hlavními a důležitými kritérii jsou spolehlivá proudová cesta vodiči v DPS -> pájení -> adhezivní spojovací obvod, dostatečné chlazení čipu dobrým tepelným kontaktem s pouzdrem nebo chladičem a účinný přenos světla z LED čipu do optických prvků a reflexních ploch.

Ve většině případů jsou LED zapouzdřeny pomocí průhledného materiálu, jako je silikon nebo epoxid. Pro získání bílých LED je do designu přidán fosfor, jehož vrstvou je modrá LED pokryta. Fosfor v důsledku fotoluminiscence převádí část světla z modré LED na světlo, které je v relativně širokém spektrálním pásmu s maximem ve žluté oblasti.

Obrázek 1: Schéma pouzdra LED na desce s plošnými spoji zobrazující hlavní součásti.

LED – Mechanismy poruch

Závady, které se vyskytují u LED, mohou být spojeny s jejími různými prvky, z nichž hlavní je čip (centrální prvek), stejně jako vnitřní a vnější části pouzdra. Vzhledem k velmi velkým rozdílům v technologii montáže a konstrukčních typech, jakož i různým aplikacím, lze pozorovat poměrně širokou škálu poruchových mechanismů.

Mechanismy selhání: čip

Při běžném provozu se světelný výkon LED postupně snižuje po celou dobu jejich životnosti. To zase znamená, že jejich život je omezený. Pokles produktivity je způsoben nárůstem počtu defektů v epitaxních vrstvách nebo na jejich hranicích, což má za následek zvýšení podílu rekombinace bez emise fotonů a snížení světelného výkonu. Obvykle je 30% nebo 50% snížení optického výkonu definováno jako závada, přičemž očekávaná životnost je v rozmezí 20 100 až XNUMX XNUMX hodin.

Stárnutí v důsledku nárůstu počtu defektů do značné míry závisí na teplotě přechodu Tj (teplota přechodu) a proudu. Pro dosažení předpokládané životnosti je tedy kontrola těchto parametrů nezbytná.

Zrychlené stárnutí, tedy pokles účinnosti LED po dobu kratší, než je předpokládaná životnost, je způsobeno nepříznivými faktory, jako jsou nekvalitní epitaxní vrstvy a často překročení teploty přechodu na nepřijatelnou úroveň v důsledku nedostatečného odvodu tepla. Kromě toho vlhkost a další nečistoty, latentní poškození ESD a nestabilní napájecí zdroje mohou vést k urychlené degradaci epitaxních vrstev.

Obrázek 2: Povrchová koroze pod mikroskopem
v odraženém světle (vlevo) a v procházejícím světle (vpravo).

Katastrofická závada, jako je flashover, může být způsobena elektrostatickým výbojem nebo elektrickým přepětím v důsledku přetížení, což má za následek vážné poškození epitaxních vrstev.

Mechanismy poruchy: vnitřní struktura LED

Změny v proudovém obvodu s odpovídajícím zvýšením elektrického odporu jsou jednou z nejčastějších příčin poruch, které způsobují snížení intenzity světelného záření, vedou k dočasné nestabilitě provozu nebo dokonce úplnému selhání. Delaminace byly také nalezeny v přechodech mezi čipem a kontaktními vodiči, které jej spojují se substrátem. Protože vazby v oblasti rozhraní čipu a substrátu významně ovlivňují odvod tepla, narušení integrity vrstvy na rozhraní (dvou prvků) vede ke zvýšení tepelného odporu a teploty čipu. Následně to vede k urychlenému stárnutí LED.

Obrázek 3: Přerušený drát uvnitř LED,
Rentgenový mikroskopický snímek.

Existuje mnoho zdrojů selhání, které je třeba vzít v úvahu během výrobního procesu LED. Proces pájení se ukázal jako zvláště kritický, protože tepelné přetížení by mohlo způsobit praskliny, mechanické poruchy nebo delaminace na rozhraní čip-substrát v důsledku různých koeficientů roztažnosti materiálů. Rozsáhlé testování a stabilní kontrola kvality ve výrobních provozech výrobců LED, stejně jako velmi dobrá kontrola procesu pájení při montáži DPS, jsou základem pro zajištění dlouhé životnosti hotových zařízení.

Čiré zapouzdřovací materiály jako silikon nebo epoxid neposkytují úplné utěsnění, a proto nechrání před vlhkostí nebo jinými škodlivými látkami. Kromě toho mechanické namáhání, například při ohýbání kontaktů LED, nebo tepelné namáhání, například během procesu pájení, může způsobit praskliny nebo delaminaci v zapouzdřovací směsi, což umožňuje kontaminantům proniknout dovnitř a dostat se na čip nebo kovové kontakty. Za nepříznivých podmínek to může vést k úpravě epitaxních vrstev nebo korozi na rozhraní mezi dvěma prvky. Dalším faktorem budou již popsané důsledky spojené s destrukcí elektrických spojů v tělese emitoru. Výkon může být také snížen v důsledku poškození reflexních povrchů.

Dalšími typickými faktory, které zkracují životnost LED, je stárnutí zapouzdřovacích materiálů vlivem ultrafialového záření nebo degradace luminoforu bílých LED, což také vede ke změně jejich barvy (efekt známý jako „žloutnutí“). Navíc je tento efekt intenzivnější než běžné stárnutí čipu.

Mechanismy poruchy: kryty přístrojů

Když jsou LED diody instalovány do krytů produktů, jako jsou desky s plošnými spoji (PCB), vznikají další zdroje poruch, jako jsou poruchy elektrického připojení kvůli vadným kontaktům v důsledku špatného pájení.

Tepelný kontakt a rozptyl tepla jsou poměrně kritickými faktory ovlivňujícími degradaci, což platí zejména v případě vysoce výkonných LED. Sestava musí zajistit a zaručit stabilní tepelný kontakt po celou dobu životnosti výrobku.

Vzhledem k tomu, že vlhkost uvnitř LED, zejména během procesu pájení, může vést k tzv. „popcorn efektu“, je nutné zajistit jejich správné skladování.

V některých případech jsou LED diody potaženy ochranným lakem nebo vnější spojovací hmotou. Mechanické nebo tepelné vlivy, stejně jako reakce s chemikáliemi a barvami a laky, mohou způsobit poškození vnitřních prvků LED.

Metody analýzy

LED diody vykazují širokou škálu mechanismů selhání, které lze studovat pomocí různých analytických metod. Účelem analýzy chyby je být schopen identifikovat problémový prvek a izolovat hlavní příčinu poruchy a poté ukázat, jak se jí vyhnout. Analýza chyb vzhledem ke své komplexnosti klade vysoké nároky na technologické know-how a dostupnost analytických metod.

Přístup k hledání odchylek:

• Otázky: V jakém prostředí LED/modul pracoval? Jak dlouho? Jaký režim provozu byl použit?

• Měření: Křivky proudu/napětí, intenzita světla, vlnová délka/barva, charakteristiky záření;

• Nedestruktivní analýza: rentgen, světelná optická mikroskopie, rastrovací akustická mikroskopie;

• Destruktivní analýza: Průřezy, otevření pouzdra;

• Fyzikální analýza: fokusovaný iontový paprsek (FIB) / rastrovací elektronová mikroskopie (REM); Analýza/emisní mikroskopie změnou odporu indukovaného optickým paprskem (OBIRCH); analýza vodivosti indukované bombardováním elektronem (EBIC); katodoluminiscence;

Aby se omezil rozsah měření, má smysl vyvinout na začátku analýzy poruch účinnou strategii, která pokryje nejúplnější množství dat za období před začátkem pozorování.

Vizuální kontrola pomocí optické (světelné) mikroskopie

Vizuální kontrola poskytuje informace o vnější struktuře, vnější integritě krytu LED a přístupných částech vnitřní konstrukce.

Optoelektronická měření

Hlavními optoelektronickými parametry jsou výkon optického záření, spektrum (barva) a charakteristika proudového napětí (CVC).

Charakteristiky vyzařování do dalekého a blízkého pole ukazují nerovnoměrnost oblasti vyzařující světlo. Měření tepelného odporu odhalí chyby v tepelných spojích.

Zvýšení napětí v propustném směru indikuje poruchu v proudovém obvodu. Zvýšený svodový proud při zpětném předpětí je známkou vážného poškození v epitaxních vrstvách. To může být způsobeno například elektrostatickým výbojem. Porovnání jemné struktury v křivce proud/napětí mezi vadnými a funkčními LED může pomoci rozlišit různé příčiny abnormalit.

Obrázek 4: Voltampérové ​​charakteristiky vadných LED
ve srovnání s dělníky (černá čára)

Další nedestruktivní zkušební postupy

Vzhledem k tomu, že LED diody jsou obvykle baleny v plastových pouzdrech, lze poruchu vodičů LED čipu detekovat pomocí rentgenového mikroskopu. Skenovací akustická mikroskopie je také vhodná pro detekci delaminace na rozhraní čip-substrát.

Obrázek 5: Koroze místa spojení vodiče s proudem se svorkou a s čipem

Metody destruktivní fyzické kontroly

Lokalizace závad uvnitř LED vyžaduje přímý přístup k vnitřním částem systému – čipu a všem částem držáku krystalu. Příčné řezy nebo odstranění zapouzdřujících materiálů pomocí chemických rozpouštědel jsou adekvátními zpracovatelskými metodami.

Obrázek 6: Oddělení vodiče od povrchu čipu (rentgenová mikroskopie)

Vnitřní struktury jsou pak přístupné pro zkoumání pomocí optického mikroskopu s vysokým rozlišením nebo rastrovacího elektronového mikroskopu, přičemž lze detekovat odchylky na hranicích prvků. Zkoumání materiálů pomocí energodisperzní rentgenové analýzy (EDX) pomáhá identifikovat přítomnost kontaminace v případě napadení korozí a získat informace o možných příčinách.

Obrázek 7: Mikroskopie řezu ukazuje oddělení čipu
z povrchu držáku krystalu (vpravo – zvětšeno)

Analýza chyb na krystalové úrovni

Pro lokalizaci poruch na úrovni čipu jsou k dispozici metody, které zobrazují vadné oblasti na jeho povrchu v podobě tmavých skvrn nebo tmavých čar. Tyto metody jsou založeny na lokalizované stimulaci emise světla (katodoluminiscence) nebo proudu nasměrováním externího elektromagnetického paprsku (EBIC) nebo laserového paprsku (OBIC) na čip. Emisní mikroskopie zahrnuje použití velmi citlivého mechanismu pro detekci světla generovaného svodovým proudem.

Pro hlubší analýzu poškození v epitaxních vrstvách systému jsou vyžadovány specializované techniky, jako je transmisní elektronová mikroskopie (TEM) a příprava vzorku pomocí fokusovaného iontového svazku. Vyhodnocení výsledků vyžaduje schopnost srovnání se známými mapami poruch a úspěšnými modely, protože struktury defektů v polovodičích jsou vysoce závislé na použité technologii. Proto jsou tyto metody velmi drahé a používají se pouze ve speciálních případech.

Závěry

Obecně jsou LED diody velmi spolehlivé, ale to závisí na výrobních technologiích, instalačních technologiích a základních výkonnostních charakteristikách. Článek představuje typické mechanismy poruch, různé typy jejich analýzy, které umožňují najít způsob, jak se poruchám v budoucnu vyhnout.

Vysoká úroveň povědomí o typických poruchových mechanismech pomůže navrhnout vysoce spolehlivé LED produkty.

Pro získání potřebných znalostí je nutné systematicky přistupovat k lokalizaci poruch, používat vhodné postupy a metody pro analýzu, aplikovat správný mechanismus pro získávání a interpretaci LED chybových map a hlavně přijímat preventivní opatření, aby se předešlo případným problémům.

Zdroj: LED Failure Modes and Methods for Analysis. LED-Professional červenec/srpen 2010, vydání 20

LED lustr je stylové a funkční řešení pro interiérový design. Taková zařízení se vyznačují nízkou spotřebou energie, odolností a bezpečností. LED emitory však také někdy selžou a vyžadují výměnu. Nyní vám řekneme o osvědčených způsobech kontroly LED v lustru pomocí speciálních a improvizovaných prostředků.

LED lustrové zařízení

Odborníci rozlišují dva typy LED v závislosti na funkci, kterou vykonávají: osvětlení a indikátor. Kontrolky nejsou tak výkonné, používají se k podsvícení displejů nebo jako světelné zdroje. Osvětlovací LED diody mají mnohem větší výkon – od 1 Wattu, což umožňuje jejich použití v designu reflektorů, lamp a pásků.

LED žárovky jsou odolné: ve srovnání s klasickými žárovkami je jejich životnost desítkykrát delší.

LED lustry mohou vyzařovat světlo různých odstínů (teplé i studené). Takové osvětlení nastaví požadovanou atmosféru v domě a neunavuje oči. LED lampy jsou ideální pro dětské pokoje: děti milují vícebarevné osvětlení a zařízení jsou absolutně bezpečná.

Výkon a barvu osvětlení lze měnit pomocí speciálního dálkového ovladače. LED lustr se skládá ze žárovek, napájecích zdrojů a rádiového ovládání (ovladače). Existují modely, které kombinují halogenové a LED žárovky. Jejich stavebnice obsahuje také napájecí prvek (snižovací transformátor). Zdroje musí mít zátěž odpovídající světelným zdrojům.

Dálkové ovládání se skládá z mikroobvodu a tranzistorů. Příkazy jsou odesílány v zakódované podobě do přijímače na lustru. Ovládání se provádí nejen stisknutím tlačítka, ale také hlasem, tleskáním dlaní, prostřednictvím aplikace na chytrém telefonu.

Příčiny poruch LED žárovek

Pro selhání zařízení před koncem záruční doby může existovat několik důvodů:

• nesprávná instalace;
• hrubé nedodržení pokynů;
• časté výpadky proudu, přepětí;
• nekvalitní nebo vadné výrobky.

V některých případech lze LED lampy opravit, zatímco v jiných bude potřeba vyměnit zdroj osvětlení.

Nejčastěji se lámou usměrňovací diody (přeměňují střídavý proud na stejnosměrný), protože právě jimi protéká velké množství stejnosměrného proudu. Zde jsou hlavní příčiny poruch:

• přehřátí: zvýšená okolní teplota, narušení výměny tepla s radiátorem;
• nadměrné napětí;
• špatně provedené prvky obvodu.

Jak se projevuje porucha LED? Může být několik možností: zkrat, přerušené kontakty mezi polovodiči, generování svodového proudu.

V jakých situacích je prostě nutné zkontrolovat provozuschopnost diod? Poprvé by mělo být napětí v lustru zkontrolováno ihned po instalaci. Kontroluje se také, zda se při jejich provozu nevyskytly závady: lampa se vůbec nerozsvítí, jednotlivé prvky obvodu přestaly svítit nebo došlo ke zhoršení jasu nebo blikání.

Metody kontroly LED žárovek

Existuje několik účinných způsobů kontroly LED žárovek:

• pomocí speciálního elektronického multimetru testeru;
• pomocí dostupných prostředků (tužkové nebo knoflíkové baterie, baterie Krona).

Je také docela možné zkontrolovat správnou funkci diod bez jejich odstranění z obvodu.

Nejjednodušší způsob, jak diagnostikovat jakékoli typy svítidel (nejen LED, ale i halogenové, zářivky a žárovky), je zašroubovat vadnou žárovku do jiné žárovky. Pokud se kontrolka rozsvítí při zapnutí, její světlo je jasné a nebliká, problém tam tedy rozhodně není. Přestože je tato metoda jednoduchá, nelze ji nazvat univerzální. Závitová část patice může být odlišná, nebo se v domácích lampách používá jiný typ objímky. Odborníci proto navrhují použití jiných diagnostických metod.

Kontrola diod pomocí multimetru

Pokud jste někdy kupovali žárovky v obchodě s osvětlením, možná jste viděli, že prodejci často kontrolují jejich fungování pomocí speciálního zařízení zvaného tester. Má pár konektorů navržených speciálně pro různé typy žárovek.

Tester kontroluje neporušenost vodičů uvnitř světelného zdroje. Pokud je vše v pořádku, uslyšíte charakteristický zvukový signál. Stejnou operaci můžete provést doma pomocí multimetru nebo indikačního šroubováku.

Multimetr je elektrické měřicí zařízení, které kombinuje několik funkcí (ohmmetr, voltmetr, ampérmetr).

Každé zařízení má režim vytáčení, který pomáhá určit integritu elektrického připojení. Na přístrojové desce je indikován speciálním symbolem (ikona diody).

Jak diagnostikovat LED žárovku pomocí multimetru:

1. Přepněte zařízení do režimu vytáčení (jinými slovy do režimu „break test“);
2. Červená sonda multimetru musí být připojena ke kladné elektrodě (anodě) a černá sonda k záporné elektrodě (katodě);
3. Když je vše s žárovkou v pořádku, měřicí zařízení vydá specifický zvukový signál a na obrazovce uvidíte čísla 3-200 Ohmů;
4. Před každým takovým měřením je potřeba sondy na krátkou dobu vzájemně zkratovat (to se dělá, aby se ujistil, že samotný multimetr funguje).

Jsou situace, kdy se při diagnostice příliš výkonné osvětlovací diody sice na obrazovce zařízení odrazí napětí, ale po zapojení do obvodu nesvítí tak výrazně jako u jiných. To lze vidět pouhým okem. Je pravděpodobné, že je to způsobeno vadou krystalu – světelný zářič se bude muset ještě vyměnit.

Diagnostika diod pomocí baterie

Vadnou LED svítilnu můžete diagnostikovat pomocí AA baterií propojených mezi sebou (funkci sond plní běžné kompaktní svorky). Nejprve si vezměte několik baterií nebo jednu „korunovou“ baterii (9 voltů), poté musíte na diodu přivést napětí. Z odpadových materiálů si můžete vyrobit plně funkční tester vlastníma rukama.

Další dobrou metodou je použít jako zdroj proudu nabíječku telefonu a žárovku otestovat s ní. Přestřihněte konec spojení s mobilním telefonem, odizolujte vodiče. Pamatujte, že červený vodič je kladný a černý vodič záporný. První přitlačíme k anodě, druhý ke katodě. Pokud je do žárovky přivedeno napětí, rozsvítí se. Tato metoda ne vždy funguje, protože nabíjecí napětí je nízké. Poté můžete opakovat stejné kroky, ale s použitím něčeho výkonnějšího – například nabíječky na baterky.

Činnost LED můžete diagnostikovat pomocí knoflíkové baterie CR2032. Jeho výkon (přibližně 3 volty) stačí na testování téměř všech typů LED. Není těžké zkontrolovat jasné vícebarevné diody. Na jejich svorky potřebujeme připojit napájení od 3 do 4,2 voltů. K tomu můžete použít jednu 3V baterii nebo dvě jeden a půl voltové baterie.

Diody s bílým nebo modrým vyzařováním lze testovat bez odporu omezujícího proud. Pro testování žlutých a červených diod potřebujete odpor 60-70 ohmů. Použít můžete i mírně vybitou knoflíkovou baterii (druh používanou např. v koupelnových vahách).

Vyrábíme diagnostický přístroj z baterií:

1. Vezměte dvě jehly z jednorázových stříkaček a obalte je na opačných stranách ploché strany baterie.
2. Zkontrolujte diody na závady.

Je možné testovat LED bez odpájení?

Ano, je to docela možné. Osvětlovací prvek není třeba odpájet z obvodu, stačí uvolnit jeden z kontaktů. K provedení testu budete potřebovat svorkovnici PNP na její konektory. Mezi dráty vložíme malé textolitové těsnění a omotáme je elektrickou páskou. Děje se tak za účelem ochrany uživatele a zvýšení pohodlí při ověřování. K tomuto designu musíte připojit sondy a připojit je ke kontaktům LED, aniž byste ji odpájeli z obvodu.

Jak vidíte, při kontrole poškození LED žárovek není nic složitého. Jako tester můžete použít jak specializovaná elektronická zařízení, tak domácí zařízení vyrobená z nabíječek a baterií.

INFORMACE
• Lustry
• Nástěnná svítidla
• Příslušenství

SLUŽBY ZÁKAZNÍKŮM
• Návrat
• Jak nakupovat
• Články

MŮJ ÚČET
• Můj účet
• Mé objednávky
• Předplatné