Fehler, die vielleicht auch Sie beim Arbeiten mit LED machen

Der Einsatz von LEDs und anderen optoelektronischen Bauteilen in Geräten ist heutzutage gang und gäbe. Die sichere Handhabung und Montage von LEDs sollte jedoch einen genauso hohen Stellenwert haben, wie die Zuverlässigkeit und Beständigkeit der Bauteile an sich. 

LEDs (Light Emitting Diode, Leuchtdioden), ob bedrahtet (THT-LED) oder oberflächenmontiert (SMD-LED), sind recht empfindliche Bauteile. Daher veröffentlichen alle führenden LED-Hersteller ihre Empfehlungen zum sicheren Umgang mit LEDs in Form sogenannter „technischer Hinweise“ und ähnlicher Dokumente.

Die häufigsten Fehler im Umgang mit LEDs:

• Lagerung unter nicht zufriedenstellenden Bedingungen
• Keine sorgfältige Gestaltung von bedrahteten THT-LEDs
• Unzureichende ESD-Maßnahmen
• Unsachgemäßes Löten
• Keine sorgfältige Leiterplattenreinigung
• Falscher Anschluss in der elektronischen Schaltung
• Unsachgemäßes Design von PCB und Lötpads

„Die Nichtbeachtung der vom Hersteller empfohlenen Vorgaben verkürzt die LED-Lebensdauer und kann im Extremfall zum vollständigen Ausfall der LED führen. Dabei muss es nicht um den Ausfall eines funktionsfähigen Geräts nach einer gewissen Zeit gehen, dies kann bereits während der Fertigstellung der Fall sein – bei der Installation oder Inbetriebnahme eines neuen Produkts. Nachträgliche Reparaturen sind sehr zeit- und kostenintensiv und können leicht verhindert werden. Darüber hinaus können Schäden, die durch die Nichteinhaltung der Empfehlungen verursacht wurden, nicht reklamiert werden“, sagt Martin Brestovič, Produktspezialist von SOS electronic.

Die folgende Übersicht fasst daher einige grundlegende Faktoren zusammen, die einen großen Einfluss auf den zuverlässigen und langfristigen Betrieb Ihres Geräts beim Einsatz von LEDs haben. 

Lagerung

Bei der Lagerung von LEDs ist es wichtig, die Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit unter Kontrolle zu halten. Durch Beachtung der empfohlenen Umgebungsbedingungen vermeiden Sie Schäden an der Leuchtdiode während des Lötens, da die angesammelte Feuchtigkeit bei schneller Erwärmung zu mechanischen Schäden führen kann.

Die Lagerung von LEDs und generell anderen elektronischen Bauteilen in einer Umgebung, in der ggf. aggressive Gase auftreten, steht völlig außer Frage. Säuredämpfe können die LED-Bauteile an sich beschädigen und die Lötpads oxidieren. Die Folge einer Lagerung unter falschen Bedingungen ist meist eine schlechte Lötbarkeit von LED-Bauteilen.

SMD-LEDs sind besonders empfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit. Daher ist es notwendig, sie genau nach den Herstellerangaben aufzubewahren – d. h. in den meisten Fällen in einem versiegelten Paket zusammen mit einem Exsikkator und einem Feuchtigkeitsindikator. Es ist wichtig zu wissen, welcher Empfindlichkeitsklasse die jeweilige LED zuzuordnen ist. Diese Informationen finden Sie in dem jeweiligen Datenblatt.

Die Kategorie der Feuchtigkeitsempfindlichkeit wird als MSL (Moisture Sensitivity Level) bezeichnet und reicht von 1 bis 6, wobei 1 der am wenigsten empfindlichen Kategorie entspricht.

Beispielsweise kann eine LED mit MSL 3 in einem offenen Beutel 168 Stunden lang bei 30 ℃ / 60 % RH gelagert werden (siehe folgende Tabelle):

Wenn wir einen der Parameter (Zeit, Temperatur oder Feuchtigkeit) überschreiten, dann ist es notwendig, die LED vor der Montage zu „rebaken“ bzw. nach folgender Tabelle zu trocknen.

Allerdings müssen auch bei diesem Verfahren die empfohlenen Zeiten und Temperaturen eingehalten werden, da die LEDs ansonsten von Reklamationen ausgeschlossen sind. 

Bedrahtete LEDs sind teilweise auch empfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit, und bei einer Lagerung in geöffneter Verpackung über eine Dauer von mehr als 72 Stunden empfiehlt es sich, die LEDs ca. 30 Stunden lang bei einer Temperatur von 85 - 100 °C zu trocknen.

Verschiedene Geräte, wie z. B. das Sensirion Smart Gadget mit SHT40, Display und Bluetooth 4.0 sowie verschiedene Temperatur- und Feuchtigkeitsdatenlogger helfen Ihnen bei der zuverlässigen Messung wichtiger Parameter wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit.

Gestaltung von bedrahteten THT-LEDs

„Falls Ihre Anwendung die Gestaltung von bedrahteten THT-LEDs erfordert, sollten Sie sich einer wichtigen Tatsache bewusst sein. Bei der Gestaltung der Leitungen sollte eine Druckübertragung auf das LED-Gehäuse sowie auf den LED-Chip an sich vermieden werden. Bereits kurzfristig erhöhte mechanische Belastungen können zum Abreißen feiner Kontakte zum LED-Chip an sich und damit zum Totalausfall der LED führen“, so Martin Brestovič weiter.

In der Praxis lässt sich dies leicht bewerkstelligen, indem die Leitungen im oberen Teil (am Gehäuse) beispielsweise mit einer Pinzette oder einer anderen geeigneten mechanischen Vorrichtung gestützt werden. Bei sämtlichen Änderungen der LED, sei es manuell oder maschinell, gilt die Regel: Den Druck auf das Gehäuse minimieren. 

Daher haben SMD-LEDs mit Silikonverguss meist auch Aufnahmestutzen mit einer vorgeschriebenen Mindestgröße für die Maschinenmontage, um Stutzendruck direkt auf den LED-Chip durch relativ weiches Silikon zu verhindern.

ESD-Schutz

Elektronische Bauteile, einschließlich LEDs, sind anfällig für Schäden durch Niederspannungs-ESD-Ereignisse (elektrostatische Entladungen). Bereits eine Entladung von weniger als 10 Volt kann erhebliche Schäden verursachen, und laut internationalen Forschungsergebnissen werden etwa 70 % der Schäden an elektronischen Geräten durch unzureichenden Bedienerschutz verursacht. 

Laut internationaler Standards, einschließlich EN 61340, ist der wichtigste Bestandteil des ESD-Schutzes die ESD-Kleidung. Aber auch andere antistatische Geräte und Hilfsmittel wie ESD-Werkzeuge und verschiedenes Zubehör reduzieren die Risiken im Zusammenhang mit elektrostatischen Entladungen. 

Der ESD-Schutz ist ein relativ weites Themengebiet und im Falle von LED-Bauteilen sind alle wichtigen Informationen z. B. in dem Merkblatt mit technischen Hinweisen von Kingbright zu finden. LEDs auf Basis der InGaN- und GaN-Technologie (Indium-Gallium-Nitrid) sind besonders empfindlich gegenüber Schäden durch elektrostatische Entladung.

Es ist eine interessante und gemeinhin bekannte Tatsache, dass eine extrem niedrige Luftfeuchtigkeit in Produktionsbereichen vermieden werden sollte, um Schäden an elektronischen Bauteilen durch ESD-Entladung zu verhindern. Die ideale Luftfeuchtigkeit in einer solchen Umgebung liegt bei 40 - 60 % RH. 

Löten

Beim manuellen Löten von SMD-Bauteilen, z. B. während der Prototypenfertigung, darf die Lötspitzentemperatur 350°C / 3 Sek. bei einem Anschlussabstand von mindestens 2 mm zum Gehäuse nicht überschreiten. Bitte beachten Sie, dass in mehreren Quellen für blaue, weiße und hellgrüne (525 nm) Typen eine Lötspitzentemperatur von nur 280 °C empfohlen ist – insbesondere beim manuellen Löten von SMD-LEDs in Prototypen.

Das Temperaturprofil für den Reflow-Prozess findet sich meist im Datenblatt für die jeweilige LED. Im Falle eines bleifreien Prozesses liegt die Abschalttemperatur normalerweise bei 260 °C über eine Dauer von maximal 10 Sekunden.

Reinigung

In den meisten Fällen muss die Platine mit den bestückten LED-Komponenten nicht gereinigt werden. Falls dies jedoch aus irgendeinem Grund erforderlich sein sollte, empfehlen wir, ausschließlich nicht aggressive Reinigungsmittel zu verwenden, typischerweise auf Basis von Ethanol oder Isopropanol, oder nicht aggressive Reinigungsmittel auf Wasserbasis. Allzu aggressive Reinigungsmittel können bis zum LED-Chip selbst vordringen und ihn beispielsweise durch Korrosion beschädigen.

Sanfte Reinigungsmittel finden Sie ebenfalls in unserem Sortiment. Zum Beispiel Kontakt IPA in einer standardmäßigen Verpackung als 200 ml Spray oder in einer praktischen Verpackung mit 5 l. 

Anschluss in der elektronischen Schaltung

LEDs zeichnen sich so wie fast jede Diode durch eine geringe Änderung der Stromspannung in Abhängigkeit von der Stromstärke aus.

Daher konzipieren wir die Schaltung der LED-Stromversorgung lediglich als Stromquelle, im einfachsten Fall über einen in Reihe geschalteten Widerstand. 

Es bietet sich zudem an, eine Parallelschaltung von LEDs mit einem gemeinsamen Widerstand zu vermeiden, da LEDs bei gleicher Stromstärke nie exakt die gleiche Spannung in Durchlassrichtung Vf (Durchlassspannung) haben. Dies kann zu einer Überlastung von LEDs mit der niedrigsten Vf führen, wobei der Überstrom versucht, die Vf auf das gleiche Niveau wie die anderen parallel geschalteten LEDs „anzugleichen“.

Manche LEDs haben auch eine Lastkapazität im sogenannten Pulsmodus, die im technischen Datenblatt angegeben ist, falls es möglich ist, LEDs für eine vorgegebene Zeit (meist mehrere zehn Millisekunden) mit einem deutlich höheren Strom als üblich zu versorgen. 

PCB-Design

Für jede SMD-LED ist in der Regel das empfohlene Lötpaddesign im Datenblatt zu finden. 

Erfahrene Designer können natürlich auch eine andere Form verwenden, im Falle von Hochleistungs-LEDs hilft bspw. eine ausreichend große Kupferfläche bei der Wärmeableitung. Allerdings ist es normalerweise erforderlich, die Grenze des Lötbereichs unter Verwendung einer Lötstoppmaske hinreichend festzulegen, um unvorhergesehene LED-Verschiebungen während des Reflow-Prozesses zu verhindern. 

Fazit

„Wie ich bereits eingangs erwähnte, sind LEDs empfindliche Bauteile, die bei der Handhabung und Montage einen ordnungsgemäßen Umgang erfordern. Vielleicht konnte ich Ihnen ja dabei helfen, den ein oder anderen Fehler zu entdecken und ebenfalls eine Lösung dafür zu finden. Falls Sie Erfahrung mit LEDs haben und zudem andere schwerwiegende Fehler bei der Handhabung kennen, die die Entwicklung und Produktion gefährden können, dann teilen Sie uns diese mit. Und werfen Sie zudem einen Blick auf das breite LED-Sortiment auf unserer Website für Ihre anderen Projekte“, sagt Martin Brestovič, Produktspezialist von SOS electronic.

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