Lichtqualität einer LED: Lichtspektrum, Lebensdauer und Farbwiedergabe

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LED-Hersteller müssen nicht nur ihre Chips testen, sondern auch die verwendeten Materialien. Dazu sind aufwendige Qualifizierungsprogramme notwendig. Wir haben uns bei einem Hersteller genauer umgesehen.

Qualitativ hochwertige, vernetzte Beleuchtungsszenarien, die exakt auf die Zielgruppe abgestimmt sind, werden immer wichtiger. Die Beleuchtungsbranche kommt ohne LEDs heute nicht mehr aus. Die kompakten Lichtquellen liefern spezielle Lichtspektren, die genau auf eine bestimmte Anwendung abgestimmt sind. In der Anwendung entfalten sie ihr Lichtpotenzial: sie betonen die Frische von Gebäck und Fleisch, setzen Kunstwerke in Szene und sorgen für eine hohe Farbwiedergabe in Verkaufsräume. Als Teil moderner Beleuchtungen sichern sie aber auch Produktionsprozesse, erleuchten Städte oder verwandeln Büros oder Hotels in behagliche Wohlfühlorte. Doch damit LEDs genau so eingesetzt werden können, sind umfängliche Test notwendig.

Die LEDs gehören zu den aktuell kleinsten Lichtquellen und sie lassen sich flexibel einsetzen. Zu ihren Vorteilen gehören eine lange Lebensdauer, hohe Effizienz, Umweltfreundlichkeit, gute Farbwiedergabe und vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten. Damit eine LED auf einer Leiterplatte angebracht werden kann, stehen zwei Technologien zur Verfügung, die je nach Anwendungsfall der Lichtquelle zum Einsatz kommen. Bei Chip on Board (COB) werden die Einzelkomponenten des LED-Moduls wie der Chip, das Konversionsmaterial und elektrische Verbindungen auf der Leiterplatte zusammengesetzt. Bei Surface-Mounted-Device- (SMD-)Technik werden dagegen Bauelemente vorgefertigt und anschließend als Ganzes aufgelötet.

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Die Qualität der LED ist ein durchgängiger Prozess

Eines der wichtigsten Qualitätsmerkmale der LED ist ihre Effizienz beziehungsweise genauer Lichtausbeute, also der erzeugte Lichtstrom pro eingespeister elektrischer Leistung. Dank der technischen Weiterentwicklung wird die Lichtausbeute kontinuierlich verbessert. Effizienzwerte von über 150 lm/W sind aktuell in vielen Anwendungen realistisch. Eine höhere Effizienz lässt sich beispielsweise durch eine verbesserte Lichtauskopplung erreichen: Spezielle Oberflächenstrukturen am Chip optimieren die Wirkung der Primäroptik.

Eine geringere Vorwärtsspannung der Diode verbessert ebenfalls die Effizienz. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Lichtqualität der LED. Dazu gehören die Lichtfarbe, die Farbtoleranz und die Farbvarianz über den Abstrahlwinkel. Welche Anforderungen und Qualitätseigenschaften die Lichtquelle im Einzelnen erfüllen muss, hängt immer von der jeweiligen Anwendung ab. Um die Qualität der LEDs auf einem sehr hohen Niveau zu gewährleisten, ist ein durchgängiger Qualifizierungsprozess notwendig. Dieser beginnt bei der Auswahl von Komponenten und zieht sich über sämtliche Phasen der Entwicklung von LED-Lichtquellen: vom Design über die Produktion bis hin zur Endkontrolle.

Die Zuverlässigkeit von LED-Modulen und -Bauteilen kann durch eine Reihe an Tests nach dem JEDEC-Standard nachgewiesen werden. Dabei handelt es sich um international standardisierte Methoden zum Prüfen von Halbleiterbauelementen. In vielfältigen Tests wird dabei untersucht, wie sich Komponenten unter harschen Betriebsbedingungen verhalten, wie sich ihre Eigenschaften verändern und wie stabil sie sind.

Beim Test High-Temperature-over-Lifetime werden die Lichtquellen einer Umgebungstemperatur von 60 bis 90 °C ausgesetzt. In regelmäßigen Messungen wird getestet, inwiefern sich deren Eigenschaften verändern. Nimmt der Lichtstrom mit der Zeit relativ stark ab, deutet das auf Qualitätslücken bei den Komponenten hin. Gute Komponenten dagegen verlieren über die Dauer von 1000 Stunden bei einer Temperatur von 90 °C nur unwesentlich bis gar nicht an Lichtstrom. Der weitere Test High-Temperature-High-Humidity prüft das Verhalten der Lichtquelle bei hohen Temperaturen und gleichzeitig hoher Luftfeuchtigkeit – in Betrieb oder im Lagerzustand. So werden Module für den Einsatz im Freien beispielsweise einer Umgebungstemperatur von 85 °C und einer Luftfeuchtigkeit von 85% ausgesetzt. Verändert sich die Vorwärtsspannung, gibt das Aufschluss über die Qualität. Steigt sie signifikant an, deutet das auf eine Erhöhung von Fehlstellen im Halbleiter oder auf Schwachstellen in der elektrischen Verbindungstechnik hin, was eine verringerte Effizienz und Lebensdauer bewirkt.

Ein Temperaturschocktest deckt mechanische Schwachstellen in den Verbindungen der einzelnen Bauteile der Komponente auf. Dabei werden die Lichtquellen über 1000 Zyklen abwechselnd in zwei verschiedenen Temperaturkammern bei -40 und 85 °C gelagert. Damit die Lichtquellen das tägliche Ein- und Ausschalten schadlos überstehen, testet der Schaltzyklentest die Belastbarkeit der LED. Im 30-Sekunden-Rhythmus werden die LEDs über 100.000 Zyklen abwechselnd ein- und ausgeschaltet und müssen den damit verbundenen thermomechanischen Stress überstehen.

Europäische Spezifikationen sind Maßstab für Qualität

Ist die Zuverlässigkeit der einzelnen Komponenten gewährleistet, setzt sich die Qualitätssicherung in der Produktentwicklung und Produktion fort. Hier sind es vor allem die hohen europäischen Spezifikationen, welche den Maßstab für die Qualität festlegen. Hohe Automatisierung sowie größtmögliche Flexibilität in der Fertigung sind dabei entscheidende Faktoren. Zudem sorgen sie für eine schnelle und zuverlässige Verfügbarkeit der LEDs. Intensive Endtests stellen abschließend sicher, dass die Spezifikationen hinsichtlich Lichtstrom, Farbwiedergabe, elektrischer Parameter und Effizienz sichergestellt sind.

Nach den erfolgreichen Tests sind auch die qualitätssichernden Maßnahmen abgeschlossen und die LED-Lichtquelle verlässt die Produktion zur Weiterverarbeitung bei Leuchtenherstellern und zum Einsatz in speziellen Beleuchtungslösungen.

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