LEDの寿命と信頼性

LEDの寿命特性

前述のとおり、LEDランプの光度は使用とともにゆっくり低下するという特性があります。LEDランプは、使用する機器に求められる信頼性のレベルに応じて選んでください。オプトランスにLEDランプの信頼性データを請求する場合や、機器を使って寿命特性を試験する場合は、以下の点に注意してください。

LEDの温度条件

機器を実際に使う環境における個々のLEDの寿命特性(高温、常温、低温)などの情報を計算し、その計算結果を機器の試験運転で検証すると有効な場合があります。

LEDの湿度条件

LEDに使われている材料によっては、高湿・高温の条件で動作させると、寿命が大幅に短くなることがあります。LEDを高湿・高温の条件で使う可能性がある場合は、必ず寿命特性を確認してください。

LEDの電流条件

使用とともに格子欠陥が増えるため、LEDの光度は徐々に低下します。格子欠陥が蓄積する速さは、順方向電流の大きさによって決まります。

LEDのその他の要因

振動、衝撃、ガス、紫外線などの要因がリードや樹脂に影響する条件でLEDを使う場合、オプトランスでは、影響しうる要因ごとにLEDを個別に試験することを推奨しています。

LEDの断線モード

LEDの構造の項で説明したように、LEDに過度な応力を加えたり、極端な温度変化にさらしたりすると、断線することがあります。熱膨張係数の違いや、さまざまなレベルの機械的応力などの要因が、チップの実装、ボンディングワイヤー、リード、樹脂に悪影響を及ぼすことがあります。LEDの断線を調べる通常の試験は、温度サイクル試験です。

LEDランプの温度サイクル試験

オプトランスの温度サイクル試験は通常、LEDランプの構造について、保存温度の上限と下限で行います。

機器の温度サイクル試験

LEDランプは、はんだ付けによって機器に組み込まれます。機器にはんだ付けしたLEDの信頼性は、機器に組み込んでいない単体のLEDの温度サイクル試験の結果からは推定できません。したがって、オプトランスでは、すでに機器にはんだ付けしたLEDについて、温度サイクル試験と信頼性試験を行うことを推奨しています。

寿命シミュレーション

現在使われているLEDランプの寿命シミュレーション手法では、寿命と、実際の用途で光度が劣化する傾向との相関を確立できていません。さらに、機器に組み込んでいない単体のLEDランプの周囲温度と、機器に組み込んだLEDランプの周囲温度が異なるという問題もあります。以下の例は、シミュレーションを使ってこのような情報を得る方法を示したものです。説明を簡単にするため、仮想のLEDランプの特性を使っています。例(a):高温の機器が稼働している部屋に設置された制御機器に組み込んだLEDランプの寿命をシミュレーションする。

環境

高温の機器は、順方向電流20mAで年間1,080時間(1日3時間×360日)稼働する

LEDランプの周囲温度は年間60日が60°C、湿度90%
LEDランプの周囲温度は年間90日が40°C、湿度90%
LEDランプの周囲温度は年間210日が25°C、湿度90%
LEDランプの寿命特性:図17にLEDランプの寿命特性を示します。
相対光度と時間の関係

周囲温度別のLEDランプ年間動作時間の算出

条件1の動作時間:3時間 x 60日 = 180時間
条件2の動作時間:3時間 x 90日 = 270時間
条件3の動作時間:3時間 x 210日 = 630時間

上記の稼働率を用いて、図17の劣化特性を各周囲温度に当てはめました。

結果を図18に示します。この例では、寿命特性を近似式exp(-λt)でシミュレーションしており、λはそのつど変わります。図17の特性の曲線の時定数をλ1、λ2、λ3とし、光度の低下率=exp(-λnt)として、各稼働時間にλを割り当てて計算しています。

注:さまざまな寿命特性をすべて1つの近似式で表すことはできません。1日の稼働時間が短い場合でも、上記の例をもとに10年、20年先まで特性を外挿し、その結果が正確だと期待するのは危険です。相対光度残存率と時間の関係 1

図18:シミュレーションの例

最近の改良により、LEDランプの光度が使用とともに低下する傾向は小さくなりました。寿命特性の長期試験の結果から、現在では光度が必ずしも減衰するわけではないことがわかっています。使用中に起こる光度の低下は、ワイブル分布関数を使って評価されています。数千時間の寿命試験を行っても、M値が変化しない場合もあります(図19参照)。

相対光度残存率と時間の関係 2

図19:寿命試験の結果からの予測(a)、(b)、(c)

図19の(a)と(b)では、長期の寿命試験の結果からすでに光度の劣化傾向が確認されているため、比較的容易に寿命を予測できます。しかし、図19の(c)では、10,000時間使用しても劣化が見られません。劣化が(c-1)の方向に進むのか、(c-2)の方向に進むのかは判断できません。(c-2)のように、ある時点を過ぎるとM値の劣化が大きくなる場合もあります。

寿命試験中に光度の低下が見られないからといって、そのLEDランプが寿命のどこかの時点で劣化しないとは限りません。LEDを組み込んだ機器の使用場所を決める際は、必要に応じて加速条件で寿命試験を行い、実際の使用条件に基づいて寿命特性を予測してください。