I produttori di Led di potenza tendono a evidenziare i numerosi vantaggi dei loro prodotti rispetto alle tradizionali fonti di luce: uno di questi è la loro, presunta, vita particolarmente lunga. In applicazioni dove i guasti rappresentano un aspetto critico, o dove la manutenzione e la riparazione risultano difficili o costose, i lunghi cicli di vita operativa e di manutenzione estesa divengono appetibili, anche a fronte di costi di acquisto relativamente elevati. Produttori di sistemi di illuminazione, lighting designer e committenti, sono stati generalmente rassicurati dalle affermazioni di produttori di Led che dichiaravano per i loro dispositivi una vita operativa tipica di 50.000 ore. Ma in realtà, le affermazioni di una lunga vita operativa dei Led, come per ogni componente, sono applicabili soltanto in determinate condizioni. Per di più, non è raro che i Led possano guastarsi. Si può quindi sostenere che le promesse di lunga vita e funzionamento senza manutenzione per i Led siano soltanto un mito?
Capire l'evoluzione dell'affidabilità dei Led
Nei primi tempi, la durata più “gettonata” per i Led di potenza era di 100.000 ore, ma nessuno può realmente spiegare cosa si celasse dietro questo numero “magico”; probabilmente era più una questione di marketing. Philips Lumileds, con il suo Luxeon Led, è stato il primo produttore di Led a indicare una valutazione di mantenimento del flusso luminoso. Il suo primo dispositivo Luxeon I era stato valutato per 50.000 ore (L70) in presenza di determinati valori di corrente e di temperatura di giunzione (350 mA, 90 °C). Questo standard precisa che, a determinate condizioni, la luce mediamente emessa dal Led non deve scendere al disotto del 70% del valore iniziale dopo 50.000 ore di funzionamento.
Successivamente, nel 2003, Lumileds ha pubblicato il primo documento che trattava il tema in profondità, mettendo in evidenza i fattori chiave che influenzano le prestazioni a lungo termine dei Led, come la temperatura di giunzione e la corrente di pilotaggio, citando i numeri reali per i propri dispositivi. Altri produttori di Led si sono affrettati a dichiarare il numero di 50.000 ore, anche se molti omettevano di specificare le relative condizioni operative. Più tardi (nel 2007), Lumileds ha proposto un nuovo data set grafico per aiutare i progettisti di sistemi di illuminazione a prevedere il mantenimento del flusso luminoso del Led di potenza in diversi ambienti operativi. Il concetto, noto anche come Bxx, Lyy graphs è stato spiegato in un white paper relativo alla tecnologia. Attualmente, Future Lighting Solutions ha reso disponibile on-line il suo “Led Reliability Tool”‚ che produce il grafico Bxx L70 per tutti i tipi di Led e le condizioni operative; inoltre offre anche una distribuzione di probabilità selezionata dall'utente.
Ad oggi, solo Osram OS ha pubblicato i dati B/L per la sua famiglia Dragon in un analogo formato, anche se unicamente con numeri di distribuzione tipici (B50). Il Led Reliability Tool di Future Lighting Solutions non ha ancora equivalenti da parte di altri fornitori di Led. Tuttavia, il mantenimento del flusso luminoso è ormai riconosciuto come una comune proprietà dei Led di potenza, e nel 2008 Illuminating Engineering Society ha stabilito uno standard che va sotto il nome di “LM-80-08, Approved Method: Measuring Lumen Maintenance of Led Light Sources” . LM-80-08 rappresenta un tentativo di stabilire metodi uniformi di test del mantenimento del flusso luminoso per le sorgenti a Led che permettano di effettuare un confronto di performance tra i produttori. Il programma Energy Star utilizza LM-80-08 come riferimento per la sua certificazione di apparecchi di illuminazione. LM-80-08 non fornisce però una guida per l'estrapolazione del mantenimento del flusso luminoso al di là della durata effettiva delle misurazioni. Un metodo di estrapolazione, TM21, è in fase di sviluppo da parte di un comitato di settore. Separatamente, la guida Energy Star per i produttori fissa le soglie minime di mantenimento del flusso luminoso a 6.000 ore. Philips Lumileds è stato il primo e, all'aprile 2010, l'unico, produttore a realizzare un report di test LM80-08 (per la sua gamma di di Led Rebel Luxeon Illumination) disponibile pubblicamente.
Altri produttori di Led hanno presentato test report LM-80-08 con il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, e questi sono a disposizione, a richiesta, dei produttori sistemi di illuminazione. Il concetto di mantenimento del flusso luminoso, poi, si è radicato al punto che, oggi si ritiene che l'affidabilità dei Led sia definita da questo parametro. Questo è, nella migliore delle ipotesi, sbagliato e nel peggiore dei casi estremamente dannoso per produttori di dispositivi di illuminazione a Led. In primo luogo, i Led hanno diverse modalità di guasto oltre quello del mantenimento del flusso luminoso: nelle popolazioni di Led si possono osservare infatti guasti irreversibili e deviazioni del colore nel tempo. In secondo luogo, il Led è solo uno tra i molti componenti in un dispositivo Ssl, e ciascuna di queste componenti ha la capacità di causare malfunzionamenti o guasti al dispositivo.
Poiché i Led funzionano in modo diverso dalle tradizionali fonti di luce a incandescenza, è un mito comune nel settore dell'illuminazione che i Led non soffrano di guasti irreparabili come avviene invece per le lampade ad incandescenza. In realtà, su questo versante, i Led sono come tutti gli altri componenti a semiconduttore: anche se con tassi molto bassi, i Led si possono guastare irreparabilmente. Comprendere e quantificare il comportamento di un singolo Led, e calcolare come questo possa influenzare un sistema con più Led, sono aspetti fondamentali se le aziende di illuminazione vogliono impostare in modo corretto il loro livello di garanzia del sistema e valutare il costo di potenziali guasti che si verifichino nel periodo di garanzia. Un progettista di sistemi Ssl deve essere in grado di calcolare il tasso di guasti irreparabili del Led che sta usando nelle specifiche condizioni di funzionamento e utilizzare tecniche FMEA per valutare l'impatto di tale guasto sulle performance del sistema. Se il dispositivo utilizza un singolo Led come sorgente luminosa allora l'analisi è semplice: un guasto irreparabile del Led significa un guasto totale dell'intero sistema. D'altra parte, in un array di più Led, il guasto di un Led non comporta altro che una riduzione dell'output di una porzione prevedibile. I progettisti di sistemi di illuminazione devono adottare tecniche che mascherino o compensino i guasti irreversibili al probabile tasso specificato dal produttore dei Led.
Come evidenziato precedentemente, poi, i dati di mantenimento del flusso luminoso dei Led sono necessari, ma non sufficienti per la valutazione del ciclo di vita del sistema Ssl. Per decenni, le tradizionali società di semiconduttori hanno pubblicato i loro risultati di prove di affidabilità, estrapolando i tassi di guasto; in generale, l'industria dei Led non ha ancora raggiunto quel livello di maturità. Lumileds è, comunque, costantemente in anticipo rispetto al resto dell'industria Led nella sua capacità di fornire dati precisi e significativi sulle prestazioni a lungo termine dei suoi prodotti. Contrariamente a quanto si crede comunemente, i grafici B/L di affidabilità di Lumileds tengono conto di tutti i guasti dei Led; però non consentono all'utente di discriminare fra il tasso di guasti irreparabili e il tasso di guasto di mantenimento della luminosità. Un nuovo modello di Lumileds per specificare il comportamento a lungo termine dei Led Luxeon, comprese espressioni separate per il mantenimento dei lumen e guasti, supporterà l'analisi completa della durata da parte dei progettisti del dispositivo.
Un'altra potenziale modalità di guasto dei Led di potenza è il colore o il mantenimento della cromaticità nel tempo, anche se questo è un fattore critico solo per alcune applicazioni. Per i Led bianchi, la deviazione assoluta nel tempo dal riferimento illuminante dovrebbe idealmente essere caratterizzata con varie correnti operative e temperature. I report di test LM80-08, tuttavia, mostrano la deviazione relativa alla cromaticità, ovvero quanto varia nel tempo il colore di un singolo Led dal suo colore originale.
Progettare per l'affidabilità del Led
Temperature operative e la corrente di pilotaggio sono tra i fattori che accelerano il degrado della luminosità di un Led; parte della sfida del progettista del dispositivo è quella di selezionare i valori di corrente di pilotaggio e i meccanismi termici in modo da ottimizzare il sistema dal punto di vista di costi, dimensioni e prestazioni. Ma anche fattori esterni possono causare guasti precoci: eccessivi stress termici, elettrici o meccanici e la contaminazione chimica. Il progettista di un dispositivo deve quindi prendere i dovuti provvedimenti per eliminare, ridurre o attenuare questi effetti. L'eccessivo stress termico si verifica quando la temperatura del package del Led o la giunzione supera il livello massimo specificato nel datasheet del produttore. Generalmente la causa principale si trova nella scarsa progettazione termica, in un assemblaggio scandente o in condizioni operativi non controllate. Gli stress elettrici si verificano quando la corrente o la tensione applicata al Led vanno oltre il livello massimo consentito. Tra gli errori più comuni ci sono un’insufficiente protezione dai transienti, una topologia del circuito inadeguata oppure procedure di cablaggio non corrette. Gli stress meccanici stanno diventando più di una preoccupazione da quando si utilizzano sempre più frequentemente per i package dei Led basi in ceramica leadless. Questo vale per tutti i package senza piombo di grandi dimensioni ed è un problema ben noto nel settore dell'elettronica.
La differenza di espansione termica tra il Pcb e il package del componente può portare a rotture delle saldature in presenza di ripetuti cicli caratterizzati da picchi di temperatura verso l'alto e il basso e questo è un fenomeno comune nell'illuminazione esterna. Inoltre, deformazioni o flessioni del Pcb nel corso del processo di assemblaggio potrebbero anche rompere le giunzioni o lo stesso package del componente.
Utilizzando materiale adeguato, come un MCPCB a basso modulo di Young (E), e seguendo tutte le indicazioni per un buon layout del Pcb, si riduce il rischio. L'errato trattamento durante tutto il processo di fabbricazione è una frequente causa di danni meccanici. Sia il processo di assemblaggio della scheda che quello dispositivo di illuminazione devono essere attentamente progettati e gestiti. La compatibilità chimica rimane un vasto dominio da esplorare. La maggior parte dei package dei Led usano incapsulanti in silicio, che sono permeabili ai gas. I composti organici volatili contenuti negli adesivi, flussanti per saldatura, conformal coating o materiali per il potting (ovvero usati per il riempimento di un assemblaggio elettronico) e inchiostri possono integrarsi nelle strutture di silicio e ossidarle, limitando la trasparenza del sistema ottico. La reazione può essere catalizzata dal calore o dalla luce, e l'alterazione è di solito reversibile se si elimina l'esposizione ai composti organici volatili. Una scelta attenta dei materiali e la qualificazione del processo sono gli unici modi per evitare questi inconvenienti.
Progettare per l'affidabilità del sistema
La creazione di un dispositivo Ssl affidabile coinvolge più di un'attenta selezione dei Led e un design adatto per il generatore di luce: richiede infatti la stessa attenzione per gli altri componenti del sistema.
Il comportamento a lungo termine dell'ottica secondaria può significativamente influenzare le prestazioni in termini di durata di un dispositivo. Le lenti di plastica sono le ottiche secondarie più comunemente utilizzate negli odierni dispositivi di illuminazione a Led. Di solito sono fatte con materiali termoplastici PMMA o PC. I meriti di entrambi i materiali sono stati ampiamente discussi in termini di trasparenza, resistenza al calore e graffi, e di costo. Ma le prestazioni nella trasmissione della luce nel corso del tempo non sono state caratterizzate in dettaglio. Nel migliore dei casi, un costruttore di lenti dirà che il PC tende al giallo se sottoposto intensivamente ai raggi UV, ma che in 10 anni di esperienza, che non ha mai visto alcun esempio di degrado catastrofico anche nelle condizioni più estreme, come lampade per esterni poste direttamente di fronte al sole . È anche vero che i dispositivi da esterno, sono chiusi con una finestra di vetro o di plastica che funge da barriera ai raggi UV di fronte alle lenti. Eppure, l'ottica secondaria non deve essere trascurata nella valutazione di durata del sistema Ssl, in particolare per la sua capacità di incidere sulla cromaticità di output del dispositivo di illuminazione. I produttori non hanno altra alternativa se non quella si eseguire test sulla durata e trovare materiali alternativi. Parte del dispositivo illuminante Ssl è il driver dei Led. Nella maggior parte delle applicazioni, il driver è un alimentatore switch che converte la corrente alternata delle rete elettrica in corrente costante. Questo è simile alla centralina di alimentazione che si trova in molti elettrodomestici come Tv, caldaie, forni a microonde, lampade alogene a bassa tensione e anche alimentatori per lampade HID. Si tratta di una tecnologia ben nota, i cui componenti più deboli, come condensatori elettrolitici o fotoaccoppiatori, possono essere adeguatamente dimensionati per assicurare una lunga vita al dispositivo.
I migliori driver dei produttori più affidabili sono in grado di offrire centinaia di migliaia di ore di funzionamento affidabile e continuo. Allo stesso modo, il mercato offre una gamma di driver per Led in un'ampia gamma di prezzi. La differenza tra il migliore e il peggiore driver è molto marcata, e ì questo si riflette nella vita media che ogni prodotto è in grado di offrire. Purtroppo, anche i più rinomati produttori trascurano di fornire i dati di affidabilità come le valutazioni Mtbf (Mean time between failure) nei loro datasheet dei driver per Led; questo costituisce una notevole difficoltà per il progettista del dispositivo. Inoltre, la gamma di tensioni di uscita di molti driver non è sufficiente a supportare topologie failure-proof di array di Led.
