Chyby, ktoré pri práci s LED robíte možno aj vy

Používanie LED a iných optoelektronických komponentov v zariadeniach je v súčasnosti samozrejmosťou. Rovnako dôležitá by však mala byť nielen spoľahlivosť a životnosť   samotných súčiastok, ale aj bezpečná manipulácia a osadenie LED.

LED (Light Emitting Diode), či už vývodová (THT LED), alebo na povrchovú montáž (SMD LED), je v skutočnosti dosť citlivá súčiastka. Preto všetci poprední výrobcovia LED uverejňujú svoje odporúčania na bezpečnú manipuláciu vo forme tzv. “Technical notes” a podobných dokumentov. 

Najčastejšie chyby pri manipulácii s LED sú:

• skladovanie v nevyhovujúcich podmienkach,
• nešetrné tvarovanie vývodov u THT LED,
• nedostatočné ESD opatrenia,
• nevhodné spájkovanie,
• nešetrné čistenie DPS,
• chybné zapojenie v elektronickom obvode,
• nesprávny dizajn DPS a spájkovacích plošiek.

„Nedodržiavaním odporúčaných zásad od výrobcu si skracujete životnosť LED a v krajnom prípade môžete spôsobiť aj úplné zlyhanie LED. A nemusí to byť zlyhanie po nejakom čase vo funkčnom zariadení, ale už aj pri finalizácii – pri osádzaní alebo oživovaní nového výrobku. Následné opravy sú časovo aj finančne veľmi náročné, a pritom sa im dá jednoducho predísť. Navyše škody vzniknuté nedodržaním odporúčaní nemôžu byť ani predmetom reklamácie,“ hovorí Martin Brestovič, produktový špecialista SOS electronic. 

V nasledujúcom prehľade sme preto zhrnuli niekoľko základných faktorov, ktoré pri používaní LED diód v aplikácii majú zásadný vplyv na spoľahlivé a dlhodobé fungovanie vášho zariadenia. 

Skladovanie 

Pri skladovaní LED je dôležité, aby ste mali pod kontrolou teplotu a vlhkosť prostredia. Udržiavaním odporúčaných podmienok prostredia zabránite poškodeniu LED pri spájkovaní, keďže nahromadená vlhkosť ju dokáže pri prudkom ohriatí mechanicky poškodiť.

Pochopiteľne, úplne vylúčené je skladovanie LED a vo všeobecnosti aj iných elektronických súčiastok v prostredí, v ktorom sa môžu objaviť agresívne plyny. Výpary kyselín môžu poškodiť samotné LED komponenty, ako aj zoxidovať ich spájkovacie plôšky. Dôsledkom skladovania v nesprávnych podmienkach je teda obyčajne zlá spájkovateľnosť LED súčiastok. 

Na vzdušnú vlhkosť sú citlivé najmä SMD LED diódy, preto je nevyhnutné ich skladovať presne podľa predpisov výrobcu – t.j. v drvivej väčšine prípadov v uzavretom balení spolu s desikátorom a indikátorom vlhkosti. Dôležité je vedieť, do akej triedy citlivosti používaná LED patrí. Túto informáciu vždy nájdete v jej technickom liste (datasheet).

Trieda citlivosti na vlhkosť sa označuje ako MSL (Moisture Sensitivity Level) a je v rozsahu 1 až 6, pričom 1 zodpovedá najmenej citlivej triede.

Napríklad LED diódu s MSL 3 môžeme skladovať v otvorenom sáčku po dobu 168 hodín za podmienok ≦ 30 ℃ /60 % RH, ako uvádza nasledujúca tabuľka:

Ak prekročíme niektorý z parametrov (čas, teplotu alebo vlhkosť) je nutné LED pred osádzaním tzv. “zapiecť” (reBake), resp. presušiť podľa nasledujúcej tabuľky. 

Avšak aj pri tomto procese je potrebné dodržiavať odporúčané časy a teploty, inak to nemôže byť dôvod na reklamáciu LED.

Aj LED s vývodmi sú čiastočne citlivé na vzdušnú vlhkosť a pri skladovaní v otvorenom balení po dobu viac ako 72 hod sa odporúča presušiť ich po dobu cca 30 hod pri teplote 85 – 100 °C.

Na spoľahlivé meranie týchto dôležitých parametrov, ako je teplota a vlhkosť, vám dobre poslúžia rôzne zariadenia, napríklad aj Sensirion Smart Gadget s SHT40, displejom a Bluetooth 4.0, ako aj rôzne dataloggery teploty a vlhkosti.

Tvarovanie vývodov THT LED

„Ak vaša aplikácia vyžaduje tvarovanie vývodov LED súčiastok, dajte si pozor na jeden kľúčový fakt. Pri akomkoľvek tvarovaní vývodov by ste sa mali vyhnúť prenosu tlaku vývodov na puzdro LED diódy, a tak aj samotný čip LED. Aj krátkodobo zvýšené mechanické pnutie môže mať za následok odtrhnutie jemných kontaktov k samotnému LED čipu, a tým spôsobiť úplné zlyhanie LED“ pokračuje Martin Brestovič.

V praxi sa to dá ľahko dosiahnuť podopretím vývodov v hornej časti (pri puzdre) napr. pomocou pinzety alebo vhodným mechanickým prípravkom. Je zrejmé, že pravidlo minimalizovať tlak na puzdro platí na akúkoľvek manipuláciu s LED, ručnú alebo strojovú. 

Z tohto dôvodu nájdeme u SMD LED so silikónovým zapuzdrením zvyčajne aj predpísanú minimálnu veľkosť trysky (“pick-up nozzle”) na strojové osádzanie, aby sa predišlo tlaku trysky priamo na LED čip cez pomerne mäkký silikón.

ESD ochrana

Elektronické súčiastky vrátane LED sú náchylné k poškodeniu následkom nízkonapäťových ESD (Electrostatic Discharge) udalostí. Už výboj nižší ako 10 voltov môže spôsobiť značné škody a podľa medzinárodných výskumov je približne 70 % škôd na elektronických zariadeniach spôsobených práve nedostatočnou ochranou obsluhy. 

Podľa medzinárodných noriem vrátane EN 61340 je hlavným prvkom ochrany pred elektrostatickým výbojom ESD odev. Avšak aj ďalšie antistatické zariadenia a pomôcky, ako sú ESD nástroje nástroje a rôzne príslušenstvo, znižujú riziká súvisiace s elektrostatickými výbojmi. 

ESD ochrana je pomerne rozsiahla téma a v prípade LED súčiastok nájdeme všetky dôležité informácie napr. v letáku “Technical notes” od spoločnosti Kingbright. Na poškodenie elektrostatickým výbojom sú citlivé najmä LED diódy založené na technológii InGaN a GaN (Indium-Galium-Nitrid).

Zaujímavým a dobre známym faktom je tiež, že v rámci prevencie poškodenia elektronických súčiastok ESD výbojom je dobré sa vyhnúť extrémne nízkej vzdušnej vlhkosti v produkčných priestoroch. Ideálna vlhkosť takého prostredia je 40 – 60 % RH. 

Spájkovanie

Ak spájkujeme SMD súčiastky ručne, napr. pri výrobe prototypu, teplota hrotu by nemala presiahnuť 350 °C/3 sec pri vzdialenosti spoja od puzdra minimálne 2 mm. Pozor, pre modré, biele a modrozelené (525nm) typy niektoré zdroje odporúčajú teplotu hrotu len 280 °C – zvlášť pri ručnom spájkovaní SMD LED u prototypov.

Teplotný profil pre reflow proces obyčajne nájdeme v datasheete ku konkrétnej LED. Pre bezolovnatý proces je zvyčajne hraničnou teplotou 260 °C po dobu max 10 sekúnd.

Viac informácií k tématike spájkovania sa dočítate v našom článku „Ako spájkovať: Praktické rady pre kvalitné a efektívne spájkovanie“.

Čistenie

Vo väčšine prípadov DPS s osadenými LED súčiastkami nie je potrebné čistiť. Ale ak to z akéhokoľvek dôvodu potrebujete, odporúčame použiť len neagresívne čistiace prostriedky, typicky na báze etanolu alebo izopropanolu, prípadne neagresívnych čistiacich prostriedkov na vodnej báze. Príliš agresívne čistiace prostriedky môžu preniknúť až k samotnému čipu LED, a tým ho poškodiť, napr. spôsobiť jeho koróziu.

Šetrné čistiace prostriedky nájdete aj v našom sortimente, napr. Kontakt IPA v bežnom 200ml balení vo forme spreja alebo vo výhodnom 5 l balení. 

Zapojenie v elektronickom obvode

LED ako takmer každá dióda sa vyznačuje len malou zmenou napätia v závislosti na prúde. 

Preto napájací obvod LED zásadne koncipujeme ako prúdový zdroj, v najjednoduchšom prípade využitím rezistoru v sérii. 

Taktiež je vhodné vyhnúť sa paralelnému zapojeniu LED s jedným spoločným rezistorom, keďže LED nikdy nemajú úplne rovnaké napätie v priepustnom smere Vf (forward voltage) pri rovnakom prúde. To môže spôsobiť prúdové preťaženie LED s najnižším Vf, kde zvýšený prúd sa snaží “dokompenzovať” Vf na rovnakú úroveň, ako majú ostatné LED zapojené paralelne.

Niektoré LED majú v technickom liste uvedenú aj zaťažiteľnosť v tzv. pulznom režime (pulse mode), kedy je možné po definovanú dobu (zvyčajne desiatky ms) napájať LED aj podstatne vyšším prúdom než štandardne. 

Návrh DPS 

Ku každej SMD LED obyčajne nájdeme v technickom liste odporúčaný dizajn spájkovacich plošiek (“solder pads”). 

Skúsený návrhár môže samozrejme použiť aj iný tvar, napr. u výkonových LED dostatočne veľká medená plocha pomáha odvádzať teplo. Avšak obyčajne je nutné vhodne zvoliť ohraničenie spájkovanej plochy pomocou naspájkovateľnej masky (solder resist), aby sme predišli nepredvídateľnému posunutiu LED pri reflow procese

Slovo na záver

 „Ako som už spomínal v úvode, LED diódy sú citlivé súčiastky, ktoré si vyžadujú primerané zaobchádzanie pri manipulácii aj samotnom osádzaní. Možno som vám pomohol odhaliť niektorú z chýb a zároveň nájsť riešenie na jej odstránenie. Ak máte skúsenosti s LED a viete aj o ďalších závažných chybách pri manipulácii s nimi, ktoré môžu ohroziť vývoj a výrobu, dajte nám o nich vedieť. A tiež si pozrite široký sortiment LED diód na našom webe pre ďalšie vaše projekty“ hovorí na záver tohto článku Martin Brestovič, produktový špecialista SOS electronic.

Máte záujem o viac informácií k LED Kingbright alebo o technické poradenstvo pri výbere produktu?
Prípadne máte inú otázku či požiadavku? Prosím, vyplňte nasledujúci formulár, radi vám pomôžeme.