LED Alterung/Kennlinienverschiebung

Hier werden Fragen zu LED-Grundlagen beantwortet...

Moderator: T.Hoffmann

Santaclause
Mini-User
Beiträge: 9
Registriert: Fr, 07.11.08, 17:05

Fr, 07.11.08, 18:00

Hallo,

ich habe Juli diesen Jahres einen Partykeller mit insgesammt 300 Super-flux-LEDs bestückt (150 rot, 50 blau, 50 grün, 50 weiß) inkl. Dimmer für jede Farbe. Seit gut 1 Monat fallen ständig blaue und weiße LEDs aus, bzw. sie verlieren von heute auf morgen drastig an Helligkeit. Es fließt nur noch ca. 1mA (von anfänglichen 30mA). Nimmt man nun mal die abfallende Flussspannung in Abhängigkeit des Diodenstroms einer solchen defekten LED auf, kommt dabei folgendes heraus:
20mA -> 4,06V
25mA -> 4,125V
30mA -> 4,29V
im Vergleich dazu die Daten einer frischen LED:
20mA -> 3,16V
25mA -> 3,225V
30mA -> 3,29V

Wie man erkennt, hat sich die Diodenkennlinie scheinbar nach rechts verschoben, dh. um die kaputten LEDs wieder genausohell leuchten zu lassen wie am Anfang, brauche ich auf einmal 1V an Flusspannung mehr!

Nun die große Frage: Was ist die Ursache dieser Verschiebung?
Für mich sieht das ein wenig nach rapider Alterung des Halbleitermaterials aus. Strom pro LED wurde durch Stromquelle und noch einem Sicherheitsvorwiderstand auf 30mA/Diode begrenzt. Große Abwärme auf den Platinen entsteht auch nicht. Als Spannungsquelle dienen 5V von einem stand-alone PC Netzteil.
Meine aktuelle Vermutung ist, das die LEDs den nächtlichen Temperaturwechsel nicht verkraften (Nachts ~10°, in Betrieb ~40°)(Partykeller ist eher eine Party-Garage ohne Heizung ;) )
Hat vielleicht einer eine bessere Erklärung oder hat selbiges schonmal festgestellt?!

Gruß, Santaclause
Benutzeravatar
dieter_w
Mega-User
Mega-User
Beiträge: 398
Registriert: So, 18.02.07, 11:15

Fr, 07.11.08, 18:40

Es wäre schön, wenn du etwas mehr Daten angeben würdest.
Wert des Vorwiderstands bei den verschiedenen Farben, verwendete LED-Typen, ... ???

Auf den ersten Blick sieht es aus, wie Betrieb mit zu hohem LED-Strom.
son.of.oden
Mini-User
Beiträge: 4
Registriert: Do, 06.11.08, 19:44

Fr, 07.11.08, 20:22

hi,

mich interessiert, wie du einen Strom, der fest aus einer Stromquelle kommt, mit einem einfachen Widerstand begrenzen kannst... :shock:

Wahrscheinlich ist ein Strom von 30mA zu viel für diese LEDs, da die maximal-Stromwerte für die Super-Flux LEDs von LUMITRONIX folgende Werte betragen: weiß, blau und grün 20mA; rot 30mA.

Demnach werden die grünen LEDs wahrscheinlich demnächst ähnliche Merkmale aufweisen. Du solltest den Strom besser auf 20mA begrenzen (dies ist auch ein typischer Wert für Standard-LEDs). Die Verschiebung wird dann daher kommen, da LEDs bei überlastung extrem schnell altern, rapie an helligkeit verlieren und sehr schnell "den geist aufgeben". :(

:!: Nicht zu verwechseln sind Maximalwerte im Dauerbetrieb mit Spitzenstromwerte!!! Spitzenstromwerte sind angeben für einen sehr kurzen Augenblick (meist durch eine PWM erzeugt, mit einem Puls-Pausen-Verhältnis von 1:10 oder mehr(Beispielweise!! siehe dazu jeweils Datenblatt, aber das ist ein anderes Thema :wink: )). :!:

Wenn die Helligkeit bei 20mA zu gering ist, solltest du vielleicht andere LEDs nehmen (deine werden höchstwahrscheinlich durch überlast kaputt sein) :roll:

lg michael
Santaclause
Mini-User
Beiträge: 9
Registriert: Fr, 07.11.08, 17:05

Fr, 07.11.08, 21:37

Hi,

also das sind super-flux leds von *********, dort steht 30mA typ. Strom. Das sollten die auch aushalten.
Jede LED hat einen eigenen Widerstand (Rot 100 Ohm, alle anderen 47Ohm) und diese Reihenschaltungen aus Widerstand und LED sind parallel geschalten für jede Farbe. Dort sitzt dann ein Power MOSFET den ich linear im Strom regeln kann von 0 bis 4,5A(150*30mA) für rot und 0 bis 1,5A (50*30mA) für den Rest. Die Vorwiderstände vor den einzelnen LEDs begrenzen den maximalen strom, wenn der MOSFET in die Sättigung geht (U_DS=100mV). Aber wie schon gesagt, der fließende Strom durch die LEDs ist nicht größer als 30mA! An den 47 Ohm fallen maximal 1,38V ab (I=U/R=29,4mA). Achja bin ETechniker und weiß (eigentlich) was ich tue...
Also entweder man hat mir Schrott verkauft und die Dinger halten keine 30mA aus (was ich nicht glaube) oooder es liegt an Umwelteinflüssen....
Benutzeravatar
CRI 93+ / Ra 93+
Auserwählter
Auserwählter
Beiträge: 2801
Registriert: So, 19.10.08, 23:56
Wohnort: Hannover

Sa, 08.11.08, 00:17

Wilde Spekulation: Möglicherweise gibt das PC-Netzteil im Einschalt- oder vieleicht Ausschaltmoment kurzzeitig eine viel zu hohe Spannung aus, weil die Regelung dann nicht mehr richtig funktioniert. Wenn Du ein Scope hat, guck' Dir doch mal an, was die Spannung im Ein- und Auschaltmoment macht. Natürlich SOLLTE das nicht sein, ein PC mag das sicher auch nciht, aber vielleicht liegt's ja daran, dass Du nur die 5V des Netzteils nutzt. Vielleicht ist das Netzteil auch defekt.
Das würde jedenfalls für die Schlagartigen defekte sprechen.

Ist es denn wirklich so, dass alle LEDs mit mehr Spannung wieder normal hell leuchten oder betrifft das nur einzelne LEDs?
Kann es vielleicht sein, dass die Bonding-Drähte durch Wärme abreißen? Dies äußert sich allerdings eher als Wackelkontakt...
Benutzeravatar
CRI 93+ / Ra 93+
Auserwählter
Auserwählter
Beiträge: 2801
Registriert: So, 19.10.08, 23:56
Wohnort: Hannover

Sa, 08.11.08, 00:34

Ich hab' gerade nochmal nachgerechnet: Versorgung 5V minus "frische" LED mit 3,3V, bleiben 1,7 V. 1,7V/47R=36,17 mA !
Und das auch nur, wenn die LED wirklich 3,3V erreicht, welche sie wiederum vermutlich ohnehin nur deshalb erreicht, weil sie schon zuviel Strom bekommt.
Gehen wir also mal von 3,0V an der LED aus: 2V/47R=42,55 mA :!: .

Dazu kommt, dass die Vorwärtsspannung je nach Typ und v.A. Farbe sehr stark, aber auch bei gleicher Farbe noch ein wenig variiert. Deine Spannungsquelle mit Vorwiderstand regelt aber nicht nach.
68 Ohm wären wohl die bessere Wahl gewesen... (für 30 mA). Die 100 Ohm für 20 mA sind aber genau richtig --- für BLAUE und WEISSE LEDs, evtl. bei superhellen grünen, aber sicher nicht bei roten.
Santaclause
Mini-User
Beiträge: 9
Registriert: Fr, 07.11.08, 17:05

Sa, 08.11.08, 02:58

Deine Gedankengänge über das Netzteil hatte ich auch schon. Ich habe nur leider kein Oszi zur Hand das zu prüfen. Aber selbst wenn das Netzteil kurzzeit zu viel Spannung gibt, wieso sind dann nur die blauen davon betroffen?
Ziemlich alle ausgewechselten LEDs leuchten wieder genauso hell wie frische, wenn ich die an mein regelbares Netzteil hänge und solange aufdreh bis 20mA fließen. Jut, ein paar LEDs sind auch völlig hinüber (messe kurzschluss).
Bondingdrähte hab ich mir unterm Mikroskop auch schon angesehn. Sieht so aus, als wären die alle noch dran. Aber ein Flackern der LEDs hat in manchen Fällen das baldige Ende bereits vorher angekündigt. Oder aber die betroffene LED hat sich nach etwas Betriebszeit doch noch dazu entschlossen mit 100% Helligkeit zu leuchten (von ca. anfänglichen 5%), quasi wie als musste die erstmal warmlaufen.

Zu deinen Nachrechnungen: Ja ich weiß, wenn man an das System genau 5V ranklemmt fließen 40mA. Man muss hier noch ~200mV Verlustspannung über dem Transitor abziehen, dann bleiben 4,8V üprig was mir genau meine ~30mA fließen lässt. Wenns am Strom läge müssten die Grünen eigentlich als erstes den Geist aufgeben, da die eine geringere Flusspanung haben (mal die Roten nicht mitbetrachtet, die nehmen gemütliche 20mA@5V).

Habe hier auch seit Jahren schon duzende LEDs in der Wohnung mit PC-Netzteilen versorgt, da ist mir noch nicht eine kaputtgegangen. Das ist alles seeehr misteriös!
Ber
Super-User
Super-User
Beiträge: 80
Registriert: Sa, 23.12.06, 22:45

Sa, 08.11.08, 11:25

Also ich würde bei dem Fall auch auf zu hohen Strom tippen, der die Chips zu stark aufheizt, so dass die LEDs in kürzester Zeit extrem altern. Eine Chip-Temperatur-Messung ist ja extrem schwierig und dürfte mit Haushaltsmitteln kaum exakt durchführbar sein.

Wahrscheinlich stimmt die Behauptung, dass man diese Klein-LEDs dauerhaft nur mit 15mA betreiben sollte doch. Habe das in irgendeinem Forum gelesen.

Eine andere Sache ist die Alterung durch Temperaturwechsel und Luftfeuchtigkeit:

Als Mitte der 1990er-Jahre die ersten wirklich superhellen roten 5mm-LEDs rauskamen (kosteten damals bis zu 5,-DM pro Stück!!!), habe ich mir mit 12 Stück von den Dingern ein dynamobetriebenes Rücklicht ans Rad gebastelt, was, als es neu war, richtig gut und hell funktionierte. Kein Verkehrsrowdie wagte es damals wegen der Blendung dieser LEDs, zu dicht aufzufahren oder zu dicht (<~60cm) vorbei zu fahren.
Heute sind diese LEDs so gealtert (Rad steht draußen unter einem Schuppendach), dass sie offensichtlich erheblich schwächer geworden sind. Folge: dichtes Vorbeifahren (und mich nassspritzen bei Regen) ist leider wieder alltäglich. Die LEDs blenden einfach nicht mehr genug, um den nötigen "Respektsabstand" zu erzeugen.

Diese roten LEDs sind jedenfalls nicht kaputt gegangen, sondern einfach nur erheblich schwächer geworden im Laufe der Jahre.
Benutzeravatar
P.Sparenborg
Site Admin
Site Admin
Beiträge: 1276
Registriert: Di, 28.12.04, 19:32

Sa, 08.11.08, 13:16

Generell kann man auch sagen, dass die blauen Chips sehr billiger Hersteller in der Regel nur einen Bruchteil der Lebensdauer haben wie grüne und rote Chips. Weiß ist häufig noch schlimmer als Blau, weil der gleiche Chip verwendet wird und obendrauf noch eine schlechte Phosphor Beschichtung. Keineswegs möchte ich Konkurrenten schlecht machen, gleiche Effekte treten bei vielen billigen LED Typen von diversen Händlern auf! (Wir prüfen alle LED Typen immer auf Herz und Nieren und werfen solche Hersteller welche gar nicht zu gebrauchen sind ohne zögern raus, deswegen bieten wir manche Dinge nicht immer als Erste an...)
Wenn nun die empfohlenen Betriebsströme nicht eingehalten oder besser unterschritten werden kann das im Extrem Fall dazu führen, dass weiße und blaue LEDs schon nach wenigen hundert Betriebsstunden den Geist aufgeben obwohl sich grüne und rote LEDs bei gleichen Betriebsbedingungen noch viele tausend Stunden problemlos betreiben lassen.
Bei sehr billigen blauen und weißen LEDs ist daher generell Vorsicht geboten. Es ist selbst bei optimalen Betriebsbedingungen häufig mit einer Lebensdauer von deutlich unter 10.000 Stunden zu rechnen, bereits wenige mA zu viel können das auf wenige hundert Stunden Lebensdauer senken.
Wenn es billige LEDs sein sollen, dann meine Empfehlung: 30% unter dem empfohlenem Betriebsstrom bleiben und sicherstellen, dass auch wirklich ein konstanter Strom anliegt! Häufig ist das Ausweichen auf Qualitätsware aber im Endeffekt dann billiger.
Benutzeravatar
dieter_w
Mega-User
Mega-User
Beiträge: 398
Registriert: So, 18.02.07, 11:15

Sa, 08.11.08, 17:11

P.Sparenborg hat geschrieben:...
Wenn nun die empfohlenen Betriebsströme nicht eingehalten oder besser unterschritten werden ...
Wolltest du nicht schreiben: ÜBERSCHRITTEN ???
Benutzeravatar
P.Sparenborg
Site Admin
Site Admin
Beiträge: 1276
Registriert: Di, 28.12.04, 19:32

Sa, 08.11.08, 17:40

Wollte ich nicht... die empfohlenden Betriebsströme sollten eingehalten oder besser unterschritten werden. Ist etwas blöd formuliert, gebe ich zu :P
Benutzeravatar
CRI 93+ / Ra 93+
Auserwählter
Auserwählter
Beiträge: 2801
Registriert: So, 19.10.08, 23:56
Wohnort: Hannover

So, 09.11.08, 01:13

Nicht mehr kontaktierende Bondingdrähte wird man kaum unter dem Mikroskop erkennen, das dürfte sich um Nanometer handeln, die der Bonding-Draht zu weit vom Chip weg ist. Die reißen ja nicht ab und sind dann weg, die berühren nur nicht mehr den Chip oder das Metallbeinchen. Flackernde LEDs sprechen auch für Bonding-Probleme, das Flackern geht meist weg, wenn man die betroffene LED mit einer Zange zusammendrückt (nach dem Loslassen leuchten sie dafür evtl. gar nicht mehr) oder wenn sie noch kalt ist (mag auch sein, dass es bei anderen LEDs weg geht, sobald sie warm sind).
Ein kompletter Kurzschluss des LED-Chips wiederum spricht nach meiner Erfahrung mit Halbleitern dafür, dass der Halbleiter sehr stark überhitzt wurde.

Zu den 200 mV Spannungsabfall am MOSFET: 4,8V-3,0V=1,8V 1,8/47R=38 mA -- immer noch deutlich über 30 mA! Und wie gesagt kommt die höhere Spannung an der LED ja erst durch den unzlässig hohen Strom zustande, deshalb darfst Du nicht so rechnen, als wäre die Spannung, die Du mit Deinem derzeitengen Aufbau hast die Durchlasspannung, die sich bei zulässigem Strom einstellt. Und dass die Vorwärtsspannungen von LED zu LED variieren hatte ich ja auch schon gewschreiben. Daher ohne KSQ lieber bei 5V-Betrieb 20-30% unter dem errechneten Nennstrom bleiben. (Bei 12V und einem Vorwiderstand pro LED würden wohl 5-15% unter Nennstrom reichen, aber es wäre hirnrissig 75% der Leistung sinnlos zu verbraten)

Bekommt der MOSFET am Gate 5V? Wenn ja, dann gib ihm stattdessen mal 10V oder 12V, dann macht er noch mehr auf und dann dürfte fast nix mehr an ihm abfallen (für neue Projekte, bei diesem Problem-Projekt ist es wohl eher angebracht nie ganz aufzudrehen)
Santaclause
Mini-User
Beiträge: 9
Registriert: Fr, 07.11.08, 17:05

Mo, 10.11.08, 12:41

Hallo allerseits,

ich habe mal die Regelschleife aufgemalt. Es fließen definitiv nicht mehr als 30mA /LED! Habe es nachgemessen (Spannungsabfall über den 47 Ohm = 1,38V -> I=U/R=1,38V/47=29,4mA).
Aber das es an den Bonddrähten liegen könnte, wäre schon realistisch und würde das Verhalten recht gut erklären. Entweder hat sich der Bondkontakt durch die Temperaturwechsel gelockert, oder es hat sich eine spröde intermetallische Phase gebildet (->Purpurpest) oder Pfusch bei der Produktion....oder alles dreis zusammen.

achja, das mit den 200mV Sättigungspannung über dem MOSFET war natürlich quatsch. Als ich das gemessen habe, war der Transitor ja gar nicht in der Sättigung, sondern hat sein U_DS genau so eingestellt, das die von mir eingestellten 1,5A fließen (1,5A/50=30mA). Würde ich den MOSFET in die Sättigung schicken, also "manuell" mal 12V ans Gate legen würden wohl mehr als 30mA/LED fließen (max. jedoch 40mA/LED). Aber der Fall würde höchstens bei einem Störfall eintreten, falls es mir -warum auch immer- das Drain-Source kurzschließt...sollte bei meinem Problem aber vernachlässigt werden, da die Regelung funktioniert! :wink:
Dateianhänge
stromregelung.JPG
Borax
Star-Admin
Star-Admin
Beiträge: 11997
Registriert: Mo, 10.09.07, 16:28

Mo, 10.11.08, 17:14

Das ist ja schon eine KSQ...
Aber der OP wird in dieser Betriebsart ggf. schwingen. Außerdem ist ein simpler Spannungsteiler auch nicht gut zum 'Referenzspannung' erzeugen. Besser wäre IMHO die 'Münchener Schaltung' (gleiches Schalt-Prinzip, aber mit 'echter' Referenz und ein paar Kondensatoren und Widerständen um die Schwingungsneigung des OPs zu dämpfen).
Wobei ich nicht glaube, dass es daran liegt. Eher an Überhitzung.
Benutzeravatar
dieter_w
Mega-User
Mega-User
Beiträge: 398
Registriert: So, 18.02.07, 11:15

Di, 11.11.08, 00:04

Ich bin mir auch nicht sicher, ob sich der LM324 für diese Schaltungsart so gut eignet.
Die Regelspannung bewegt sich ziemlich nahe der negativen Schienenspannung.
Besser wäre sicherlich einen Typ einzusetzen, der eingangsseitig rail-to-rail ansteuerbar ist. Und der möglichst auch für single-supply geeignet ist, z.B. der TS912 von STM. http://www.st.com/stonline/products/lit ... /ts912.pdf
Benutzeravatar
CRI 93+ / Ra 93+
Auserwählter
Auserwählter
Beiträge: 2801
Registriert: So, 19.10.08, 23:56
Wohnort: Hannover

Fr, 14.11.08, 22:28

Ich habe jetzt das Datenblatt nicht gelesen, aber zu Rail-To-Rail muss der OpAmp bei 0,01 Ohm und den paar mV die da abfallen schon fähig sein!
Allerdings solltest Du evtl. eher eine PWM-Steuerung mit NE555 oder auch OpAmp oder MCU oder fertigen IC, etc. benutzen, das spart nochmal energie und der MOSFET bleibt kalt wie Hundeschnautze (bei 1,5A) die kurzzeitig 40 mA an den LEDs dürften diesen fast nichts ausmachen.
kokisan2000
Mini-User
Beiträge: 9
Registriert: Mi, 19.11.08, 00:18

Mi, 19.11.08, 02:51

So nun gebe ich meinen Kommentar auch noch dazu.

Wenn im Datenblatt angegebene maximale Strom nicht über einen längeren Zeitraum überschritten wurde und die Bauteile trotzdem ausfallen, hast Du schlechte Ware erhalten und es ist ein Fall zu reklamieren. Der Fehlermechanismus den Du beschreibst ist typisch für LEDs schlechter Qualität und darf so nicht vorkommen. Die Verschiebung der Kennlinie und das "wackelige" Verhalten sind Anzeichen eines hochohmischen Überganges. In Standardpackages (5mm, 3mm, SMD) tritt zu über 90% das Problem am Bond oder am Kleber unterhalb des Bauteiles auf. Der Bonddraht (Aluminium oder Gold) wird per Ultraschall auf den metallischen Pad aufgebracht und hält bei korrektem Prozeß sehr viel aus. Dieser Draht kann sich natürlich lösen, aber mit Hausmitteln ist da weder etwas zu reparieren noch unterm Mikroskop zu sehen. Der Kleber unterm Chip ist elektrisch leitend und haftet an der metallisierten Halbleiterrückseite nicht immer so wie er soll. Wenn er sicht partiell löst, kommt es zu einem Anstieg des Übergangswierstandes. Die Kennlinie verschiebt sich und wackelt manhmal durch thermischen Einfluß von außen oder durch die Erwärmung des pn-Überganges im Chip. Bei solchen Bauteilen ist in der Regel der Chip noch unversehrt, nicht jedoch der Kleber. Dieses kannst Du leicht überprüfen, wenn Du das Bauteil von außen in der Temperatur änderst, also mit Heißluftfön oder Kältespray. Die Verspannung im Bauteil schliesst oft die geöffneten Kontakte und das Bauteil funktioniert wieder. Wieder bei Raumtemperatur ist der Fehler dann weider vorhanden. Die Idee mit der Zange geht mit viel Fingerspitzengefühl auch, aber mechanischer Stress im Package verhält sich anders als thermischer Stress. Unter Temperaturänderung werden vielleicht wieder einige Bauteile eine korrekte Kennlinie zeigen. Wie dem auch sei - die Bauteile sind zu reklamieren.

Die Temperaturunterschiede muß das Bauteil aushalten. Nach AECQ101 müssen LEDs zyklisch Temperaturtests aushalten. Üblich sind 100 Wechsel zwischen -40°C und +85°C. Da kommt Dein Hobbykeller nicht ran - hoffe ich doch ;-)

Noch ein Gedanke zur Lebensdauer. Grüne und blaue LEDs (damit auch weisse) basieren auf sehr empfindlichen Materialsystemen wie GaN oder SiC. Um möglichst lange Freude an den Bauteilen zu haben, muß man die Grenzwerte der Hersteller einhalten oder besser noch deutlich (30%) unterbieten. Höhere elektrische Leistungen im Chip lassen das Bauteil schneller altern, allerdings nicht von 10.000h garantierter Lebensdauer auf 100h, sondern dann auf 8000h, 6000h oder weniger. Wenn ein Bauteil nach 100h den Geist aufgibt oder die Helligkeit um mehr als 30% dunkler wurde, dann ist das Material schlecht oder Du hast das Bauteil deutlich ausserhalb der Zulassung gestresst! Auch hier wieder mein Fazit: ein Fall für die Reklamation, denn die anderen verbauten LEDs werden folgen, das garantiere ich!

Die Junction Temperatur bestimmt unterm Strich die Lebensdauer des Bauteiles. Bei den meisten LEDs ist diese Temperatur auf maximal 100°C festgeschrieben in den Spezifikationen und man sollte diese Temperatur auch einhalten. Denn nur wenn der Chip nicht heisser betrieben wird, sind die 10.000h zu erreichen. Als Daumenwert sagt man, das eine Temperturerhöhung von 10°C über der zulässign die Lebensdauer halbiert. Also wenn die Bauteile bei 110°C im Chip betrieben werden, dann erreichen die Bauteile nur noch etwa 5000h Lebensdauer. Leider kann man mit Hausmitteln die Temperatur im Chip kaum messen. Dazu benötigt man ein digitales Speicheroszilloskop oder einen schnellesn AD-Wandler aber das ist nicht das Thema hier ...

Gruß
kokisan
Santaclause
Mini-User
Beiträge: 9
Registriert: Fr, 07.11.08, 17:05

Mi, 19.11.08, 17:19

Hi Kokisan,

nach deinen Ausführungen zu Urteilen kennst du dich offenbar in der Aufbau- und Verbindungstechnik von LEDs bestens aus :D
Ich hab mal ein Mikroskop-Bildchen von den Bondkontakten angefügt. Bei dem unteren Bondkontakt sind Risse in Höhe des Pads zu erkennen (Golddraht spiegelt sich an Bruchkanten)(Hab ich mir zumindest so sagen lassen). Solche spiegelnden Brüche kann man in allen kaputten LEDs finden (Habe es anfangs misinterpretiert, deshalb sagte ich in früheren Postings das die Bondkontakte ok aussehen :roll: )
Also könnte man nun mit großer Sicherheit behaupten, daß die Ausfallursache die Bondkontakte sind! Von meiner Temperatur-wechsel-Theorie bin ich nun auch nichtmehr überzeugt. Aber dafür habe ich einen neuen Umwelteinfluss in Verdacht: Feuchtigkeit!
Wasserdampf (oder Kondenswasser?) diffundiert ins Gehäuse und verdampft wieder wenn ich die LED anschalte und beschert mir dadurch Risse im Verguss und eine Lockerung des Bonddrahtes durch den Popcorn-Effekt. Oder die Wassermoleküle reagieren auf irgendeinem chemischen Weg mit der intermetallischen Phase Bondpad-Bonddraht. Wenn dem wirklich so wäre, wäre dann auch der Hersteller haftbar (immerhin hat er nirgends eine Angabe dazu gemacht, welche Grenzen bei der Luftfeuchte einzuhalten sind) ?

Gruß, Santa
bond_chip1.JPG
kokisan2000
Mini-User
Beiträge: 9
Registriert: Mi, 19.11.08, 00:18

Mi, 19.11.08, 21:46

Hallo Santaclause,

das Bild sieht übel aus und zeigt eindeutig das Problem. Im Bereich des unteren Bonddrahtes ist ein sogenannter Crack in der Vergussmasse zu sehen. Dieser Crack startet am Bond und hat mit großer Wahrscheinlichkeit das Bondpad von der Chipoberfläche gerissen oder den Bond vom Bondpad. Die Verbindung ist hochohmig und temperaturempfindlich oder komplett unterbrochen. Solche Cracks entstehen in der Tat am häufigsten durch Feuchtigkeit im Bauteil. Verdampft das Wasser, entstehen durch die Volumenvergrößerung Kräfte die "Platz schaffen". Durch normale Anwendung, also 30mA*3.6V=110mW elektrsche Leistung, abzüglich 30% optischer Leistung lässt sich die Feuchtigkeit nicht verdampfen. Hinzu kommt, dass diese Packageform mit den vier Beinchen die Wärme sehr gut aus dem Package ableitet (RTHjunction_pin etwa 90 K/W). Der Popcorn-Effekt ist am wahrscheinlichsten: Du bringst beim Handlöten oder im Reflow-Prozeß genügend Temperatur in das Bauteil, um die Feuchtigkeit zu verdampfen. Kontrolliere Deine Löttemperatur und/oder die Lötzeit. Bleifreies Lot ist ökologisch ja ok, die erforderliche höhere Temperatur ist aber nicht vernachlässigbar.
Im Datenblatt finde ich <=260°C für 3s.

Schaue Dir doch einmal die anderen noch funktionierenden Bauteile an und auch wenn Du hast, dann die noch nicht verbauten. Du wirst vermutlich noch mehr Bauteile mit Cracks finden.

Ich bleibe bei meinem Fazit: Leider sind die Bauteile, die Du verbaut hast minderwertig. Hinzu kommt dass diese Package Form besonders für den Outdoorbereich konzipiert ist (Automotive, Ampelanlagen, ...) soll heissen, Deine 10-40°C Temperaturbereich ist nicht das Problem. Auch die Luftfeuchtigkeit darf kein Problem sein. Die Vergussmasse ist absolut dicht für Feuchtigkeit, jedoch nicht unbedingt die Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Materialien. Feuchtigkeit kann im Bereich der Beinchen eindringen und dort Cracks beim Löten verursachen. Das die Feuchtigkeit am Leadframe (Metall) entlang "krabbelt" bis zum Bondpad ist technisch sehr sehr unwahrscheinlich. Auf dem Weg entlang des Beinchens hättest Du dann ganz andere Probleme ;-)

Übrigens war meine Ausführung mit dem Kleber bei Deiner Version natürlich nicht richtig. Dein Chipsubstrat ist transparentes nichtleitendes SiC oder GaN, daher braucht die LED zwei Bondkontakte.

Gruß
Kokisan
Benutzeravatar
P.Sparenborg
Site Admin
Site Admin
Beiträge: 1276
Registriert: Di, 28.12.04, 19:32

Do, 20.11.08, 08:05

Vielen Dank für die außerordentlich kompetenten Ausführungen!

Als kleiner Hinweis nebenbei: Es gibt viele LED Typen, welche sehr empfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit sind. Im speziellen gilt dies für einige Cree Typen und zum Beispiel Luxeon Rebel. Diese LED Typen können bereits nach wenigen Stunden so viel Feuchtigkeit in der Vergußmasse aufnehmen, dass sie vor dem Löten zwingend in den Ofen müssen. Details hierzu findet man aber bei diesen Herstellern immer im Datenblatt! Hier gilt also: Genau lesen und sich an die technischen Vorgaben halten.
Das gilt aber sicherlich nicht für deine LEDs, ein verschulden auf deiner Seite erscheint hier sehr unwahrscheinlich.
Ein Tipp: LEDs mit erheblichen qualitativen Problemen kann man oft schon mit bloßem Auge anhand von kleinen Luftbläschen im Gehäuse erkennen!
Benutzeravatar
CRI 93+ / Ra 93+
Auserwählter
Auserwählter
Beiträge: 2801
Registriert: So, 19.10.08, 23:56
Wohnort: Hannover

Do, 20.11.08, 09:20

Hallo,
sehr viele Bauteile sind schon nach wenigen Tagen bis Stunden nicht mehr Maschinenlötbar (bzw. müssen zuerst wieder getrocknet werden), da sie Feuchtigkeit aufnehmen. Dies dürfte sich aber ausschließlich auf die Kontake und deren Lötbarkeit beziehen, nicht auf das Innenleben der LED.
Benutzeravatar
rbt
Mega-User
Mega-User
Beiträge: 259
Registriert: Fr, 14.12.07, 08:51
Kontaktdaten:

Do, 20.11.08, 09:30

gilt das wirklich nur für die maschninisierten verfahren? rein theoretisch sollten die gleichen probs doch auch beim handlöten auftreten, die temps sind da ja oft sogar noch etwas höher.
Benutzeravatar
P.Sparenborg
Site Admin
Site Admin
Beiträge: 1276
Registriert: Di, 28.12.04, 19:32

Do, 20.11.08, 10:39

Leider wirkt sich das nicht nur auf die Kontakte aus. Bei Cree LEDs welche auch nur kurzfristig vor dem Löten an der Luft waren können beim Löten leicht Risse in der Linse entstehen oder diese im extrem Fall sogar abplatzen. Gleiches gilt zum Beispiel auch für Luxeon Rebel LEDs, diese platzen mit vorliebe ab, Risse entstehen hier garnicht erst.
Santaclause
Mini-User
Beiträge: 9
Registriert: Fr, 07.11.08, 17:05

Do, 20.11.08, 19:37

Hallo,

also ich löte nachwievor mit bleihaltigem Lot. Es kann schon möglich sein, daß ich zu lange gelötet habe...jedenfalls länger als sonst, da ich hier ziemlich viel Lot verwendet habe. Aber rein subjektiv betrachtet, kann ich behaupten das der Lötvorgang eigentlich recht zügig vonstatten ging (gefühlte <5sek). Und wieso sind dadurch keine roten LEds betroffen? Sind die einfach robuster? Ich werde jedenfalls in nächster Zeit mal alle noch-leuchtenden LEDs im Partykeller mit dem Mikroskop begutachten.

Bis dahin hätte ich noch ein Mysterium zu klären: Die unteren 2 Bildchen zeigen eine blaue LED, welche ebenfalls im Partykeller in Betrieb war. Wieso ist diese nicht transparent, wie ihre Artgenossen? Sie leuchtet deutlich dunkler als die anderen, jedoch nicht sooo dunkel wie die kaputten LEDs mit den Cracks. Stromaufnahme/Flusspannung ist allerdings in Ordnung. Ich weiß nicht ob diese schon von anfang an so aussah oder ob das erst in Betrieb so gekommen ist. Allerdings wäre es mir eigentlich aufgefallen, dass da eine schon von Anfang an dunkler leuchtet als all die anderen. Eine weiße LED, wo man durch die gelbe Lumineszensmasse ein kleines dunkles Pünktchen schimmern sieht, habe ich auch aussortiert. Weiß jemand was das nun schon wieder ist?!

Und noch was anderes: Was ist der physikalische Hintergrund, wenn ich bei einer LED einen Kurzschluss messe (bzw. 35 Ohm zeigt das Multimeter an)? Da muss doch irgendwas mit dem Halbleiter passieren, das der plötzlich niederohmig wird (aber kein Licht erzeugt wird)?!
blaue LED
blaue LED
selbe LED
selbe LED
Benutzeravatar
CRI 93+ / Ra 93+
Auserwählter
Auserwählter
Beiträge: 2801
Registriert: So, 19.10.08, 23:56
Wohnort: Hannover

Fr, 21.11.08, 00:29

Nochmal zur Feuchtigkeitsaufnahme des Bauteils und daraus resultierenden Problemen: beim maschinellen Löten wird ja das komplette Bauteil durch den Ofen gefahren (erst vorgeheizt und dann eine recht steile Rampe bis ca. 260°C und dann mit etwas langsamerer Rampe abgekühlt. Beim Handlöten werden nur die Anschlüsse wirklich heiß, daher denke ich, dass man Cree-LEDs nicht frisch nach dem Auspacken verarbeiten muss, wenn man dies von Hand tut. (?)
Aus meiner Firma weiß ich, dass ein AD-Wandler von Analog Devices aufgrund oxidierter Kontakte nicht mehr zuverlässig lötbar war, daher habe ich vermutet, dass oxidierende Kontakte das Hauptproblem sind.
Verbleit zu löten ist auf jeden Fall sinnvoll, da man mit erheblich weniger Temperatur und/oder Lötzeit auskommt, gerade wenn man das Löten nicht absolut perfekt beherrscht, sollte man auf RoHS-konformes (bleifreies) Lötzinn verzichten.
5 Sekunden Lötdauer sind eigentlich zu lang, 0,5 bis max. 2 Sekunden würde ich empfehlen.
Antworten