信頼性 – LEDの故障や性能低下の原因、LEDへの損傷を防ぐための対策について解説

当社が提供するLuminus社の高性能LEDのポテンシャルを最大限に引き出し、製品の長期的な信頼性を確保するためには、設計段階でのリスク管理が不可欠です。

今回の記事では、LEDの故障や性能劣化を引き起こす主要なストレス要因を網羅的に解説しています。

LEDの寿命と光量低下は、主に電気的ストレス（EOS/ESD）、熱ストレス（不適切な熱管理）、そして汚染ストレス（VOCや硫黄化合物）の3つの要因に分類されます。この記事では、それぞれのストレスが具体的にどのようなメカニズムでLEDを損傷させるのか、また、器具設計においてどのようなベストプラクティスを取り入れることで汚染防止、電源設計、熱管理を最適化できるのかを詳細に解説しています。

「LEDの故障や性能低下の原因と対策」をわかりやすく解説した記事を紹介いたします。

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LEDの性能、信頼性、寿命は複数の要因に影響されます。設計技術者やLED部品を扱う人々は、これらの要因を考慮に入れる必要があります。LEDの性能低下の要因は、電気的ストレス、熱的ストレス、汚染ストレスという3つのタイプに分類できます。

図1.LEDの性能低下や故障を引き起こす3つのタイプのストレス

Luminus LEDの高性能な機能を最大限に活用するためには、汚染防止、電源設計、および熱管理のすべてを、ベストプラクティスを参照しつつ、照明器具の設計段階で慎重に考慮する必要があります。これらを怠ると、LEDの性能は阻害され、故障やその他の永続的な損傷が発生する可能性があります。

汚染による損傷

LEDデバイスは、汚染による損傷を受けやすいです。汚染されたデバイスは、暗くなったり、オープン回路になったり、短絡したりする可能性があります。LEDに損傷を引き起こす状況を理解することは重要です。なぜなら、その損傷はしばしば壊滅的なものになるからです。

LEDの光量低下を引き起こす、一般的な汚染による原因は以下の通りです。

• 揮発性有機化合物（VOC）汚染物質への露出
• 硫黄を含む汚染物質への露出（硫黄による金属腐食を引き起こします）
• 器具設計における換気不良
• シリコーン封止ドーム上の汚染物質の炭化
• シリコーンの膨潤（スウェリング）
• 高いシステム動作温度
• はんだ接合部の過剰なボイド（隙間）。これは汚染物質の影響を増幅させ、炭化を引き起こし、予想よりも高いLED温度につながる可能性があります。

これらの汚染源やそのメカニズムは、回避または軽減することができます。詳細については、アプリケーションノート「Guidelines to Prevent LED Damage Due to Contamination（汚染によるLED損傷を防止するためのガイドライン）」をご参照ください。

電気的ストレスによる損傷

電気的ストレスの要因には、電気的過負荷（EOS）、静電気放電（ESD）、および逆極性が含まれます。
電気的ストレスの根本原因は、一過性の外部条件、システム設計の欠陥、または欠陥や不適切な取り扱いによる部品レベルの問題である可能性があります。
JEDECは、LEDの電気的ストレスによる損傷の潜在的な根本原因をまとめるために世界的な調査を実施しました。詳細は下図を参照してください。

Luminus LED部品における電気的ストレスによる損傷の防止、トラブルシューティング、および修復方法についてさらに詳しく知るには、アプリケーションノート「Electrical Stress Damage to LEDs and How to Prevent It（LEDへの電気的ストレス損傷とその防止方法）」をご参照ください。

図2.電気的ストレスによる損傷の根本原因の要約（JEP 174¹より抜粋）

熱的損傷

LEDメーカーがよく耳にする顧客からの苦情として、照明器具で測定された光レベルが、データシートの仕様値よりも低いというものがあります。さらに調査すると、この低い光効率は、多くの場合、システム設計における不十分な熱管理の症状であることが明らかになります。これは、p-n接合部の温度が規定の動作限界を超えたときに最も顕著に現れます。

熱的損傷による、より気づきにくい症状としては、LEDの寿命の短縮や、劣化・故障率の増加が挙げられます。このLEDの故障メカニズムは、仕様をはるかに超える電流が使用され、デバイスに急速な過負荷がかかった場合には明らかになるかもしれません。しかし、p-n接合部の温度がデータシートの温度制限値を大幅に超えていない場合、温度による過負荷の影響は微妙でわかりにくいことがあります。

LEDの性能低下を引き起こす熱的要因は、電気的過負荷や汚染によるものよりもはるかに複雑です。LEDシステムの熱設計は、製品の性能と寿命に大きな影響を与えます。また、熱的要因は非常に複雑なため、複数の変数を考慮に入れたシステムレベルでのアプローチが必要とされます。

熱的損傷の原因と防止策についてさらに詳しくは、アプリケーションノート「Thermal Management of Big Chip LEDs（大面積チップLEDの熱管理）」をご参照ください。

参考文献
　1.JEP174 – Understanding Electrical Overstress. 2016.

LEDの故障や性能低下の原因、LEDへの損傷を防ぐための対策とは

高性能Luminus LEDの長期信頼性を確保し、光量低下を防ぐためには、設計・製造プロセス全体を通じてリスクを管理する必要があります。

LEDの性能を劣化させる原因は、主に電気的ストレス（ESD/EOS）、熱的ストレス、汚染ストレスの三つに分類されます。特に、指定値を超える電流・電圧の印加や、接合部温度が許容範囲を超えて上昇する不適切な熱管理は、寿命を著しく縮めます。また、VOC（揮発性有機化合物）や硫黄などの汚染物質が、光出力の低下を招くことも見落とせません。

LEDへの損傷を防ぐためには、適切な電源設計による電気的保護、ヒートシンク設計による徹底した熱管理、そして器具内部の換気や材料選定による汚染防止という、3つの柱に基づいた対策が不可欠です。