LED/SSL Testing

Ein Überblick über die Möglichkeiten der LED/SSL Prüfung in der Produktion, im Labor und in der Applikation

 


Inhaltsverzeichnis

1. Kurzbeschreibung

2. Einführung

3. Überblick Messanforderungen

3.1 Standards, Normen und Richtlinien

3.2 Unterschied der Messanforderung je nach Applikation

3.3 Wichtige Parameter

4. Messtechnische Lösungen

5. Zusammenfassung

6. Literatur

 

 


  

1. Kurzbeschreibung

Im Folgenden Artikel werden zunächst die Anforderungen an das LED/SSL (LED = Light Emitting Device, SSL = Solid State Lighting) Prüfung (Testing) sowie mögliche messtechnische Lösungen erläutert. Dies angefangen bei Applikationen in der Produktion über Labormessungen bis hin zu Tests vor Ort beim Kunden/Anwender. Gigahertz-Optik ist durch seine mittlerweile über 30-jährige Expertise in dieser Messtechnik etabliert und ist mit der BTS Technologie (BiTec Sensor) einen sehr innovativen Weg in der spektralen Messtechnik gegangen.

 


2. Einführung

Der Einsatz von LEDs für Beleuchtungszwecke aber auch als Designelement schreitet immer weiter voran. Durch viele neue Applikationen und dem enormen Markt wird die Anforderung an die LED oder das SSL Produkt immer größer. Dies hinsichtlich Qualität der LED in Sachen spektralen Eigenschaften (Color Rendering, Color Fidelity, dominante Wellenlänge, Farbort) und Energieverbrauch/Ausbeute (Efficacy lm/W) aber auch im Preis. D.h. die Qualität des Produktes muss durch den weltweiten Wettbewerb bei sinkenden Preisen steigen. Für die Qualität ist neben hochmodernen und präzisen Fertigungstechniken auch eine sehr präzise, stabile und kostenattraktive Messtechnik nötig. Denn bedingt durch Fertigungsprozesse können LEDs nicht mit exakt gleichen optischen Kennzahlen produziert werden. D.h. selbst innerhalb eines Fertigungsloses können die optischen Eigenschaften schwanken. Dies führt schlussendlich dazu, dass bei manchen Baureihen ein 100% Test der LEDs (Intensität (W, lm, W/sr, cd) und Farbe) in der Produktion nötig ist. Im weitern Fertigungszyklus der LED ist auch deren technische Anbindung in der Applikation entscheidend. Denn so hat beispielsweise die Temperaturmanagement der LED entscheidenden Einfluss auf die Stabilität und Lebensdauer des Produkts.

 

LED Technik im Wandel

Abbildung 1: Die LED Technik im Wandel

 


3. Überblick Messanforderungen

3.1 Standards, Normen und Richtlinien

Um den Anforderungen an die Messtechnik, elektronisch als auch optisch, Genüge zu tun haben einige Fachausschüsse Richtlinien als auch Normen und Standards erarbeitet. Diese bieten mittlerweile ein sehr gutes Gerüst für den Anwender hinsichtlich auszuwählender Messtechnik als auch kritischer Parameter. Besonders zu erwähnen sind folgende Dokumente:


Veröffentlicht:

CIE84 Measurement of Luminous Flux
CIE127

Measurement of LEDS

CIE198 Determination of Measurement Uncertainties in Photometry
CIE214 Effect of Instrumental Bandpass Function
CIE S014 Colorimetry
CIE S025 Test Method for LED Lamps, LED Luminaires and LED Modules
LM-79-08 Electrical and Photometric Measurements of Solid-Sate Lighting Products
LM-80-08 Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources
DIN 5032-9 Messung der lichttechnischen Größen von inkohärent strahlenden Halbleiterlichtquellen


Noch in Arbeit aber bald Veröffentlicht:

CIE TC2-64 High-Speed Testing Methods for LEDs
CIE TC2-63

Measurement of LEDS

CIE TC2-51 Calibration, Characterization and Use of Array Spectroradiometers
CIE TC2-50 Measurement of the Optical Properties of LED Assemblies

 

Info: Gigahertz-Optik GmbH ist als Silver Supportive Member der CIE in dieser Normungsarbeit unterstützend tätig und trägt dazu bei, dass die messtechnischen Konzepte technisch umsetzbar sind. Zudem nehmen wir an Fachausschüssen der DIN Teil. Durch diesen Prozess verstehen wir es unseren Kunden neue Anforderungen schnell verfügbar zu machen.

 


3.2 Unterschied der Messanforderung je nach Applikation

Die Messtechnik muss sich nach Anforderung der jeweiligen Applikation anpassen, d.h. eine industrielle Messung in der Produktionslinie hat ganz andere Anforderungen als ein Qualitätscheck des Produkts durch den Kunden. Folgende grundsätzliche Anforderungen lassen sich feststellen:

Gilt für alle Anwendungen

Test in der Fertigungslinie

Laboranwendung/WEK/Produktionsbegleitende QS

Applikationsprüfung vor Ort beim Kunden/Anwender


 

3.3 Wichtige Parameter

Auf Basis von wissenschaftlichen Veröffentlichungen haben die Fachgremien (z.B. CIE oder IES) in den Standards, Normen und Richtlinien wesentliche Vorgaben hinsichtlich Geräteparameter vorgegeben. Im Folgenden sind einige Größen aufgeführt:

Optisches Messgerät

In der LED/SSL Messtechnik werden größtenteils Spektralradiometer eingesetzt. 

 

Eingangsoptik

 

 

Elektrische Messtechnik

 

Software

Für die Einbindung der Messtechnik in die Prozesse des Anwenders und eine korrekte Durchführung der Messung ist eine intuitive Software und guter Support nötig um Bedienfehler als auch Kosten zu vermeiden. Diese Software muss sich zudem auf Anforderungen des Kunden einrichten lassen. Des Weiteren muss sie die Kontrolle verschiedener Geräte untereinander als auch logische Operationen und Auswertungen unterstützen. Zudem muss sie berechnete Größen zuverlässig, schnell und präzise ermitteln. Nicht zu vernachlässigen ist eine schnelle Integration von neuen Kenngrößen wie beispielsweise der IES TM-25 oder IES TM30-15. 

 

Umgebungsbedingungen

Durch den CIE S025 werden Vorgaben über die Labor- und Rahmenbedingungen gemacht. Diese betreffen beispielsweise die Umgebungstemperatur (tolerance interval ± 1,2 °C), Oberflächentemperatur, Luftzug, etc. Zudem gibt es Vorgaben über die Genauigkeit der elektrischen Messung. 

 


4. Messtechnische Lösungen

Die unter z.B. 3.1 genannten Normen geben eine Richtung der messtechnischen Umsetzung vor. Dennoch besteht eine gute Lösung nicht allein darin diese zu erfüllen, sondern diese zu erfüllen und dabei praktikabel, preisattraktiv und den Anforderungen des Anwenders gerecht zu werden. Wir von Gigahertz-Optik haben diese Thematik sehr ernst genommen und mit unseren über 30 Jahren Erfahrung Messsysteme entwickelt die den Anforderungen des Kunden, der Applikation und den Vorgaben der Normen gerecht werden. Im Folgenden sind einige Beispiele aufgeführt:

 


 

Test in der Fertigungslinie

BTS2048-VL Serie besticht durch seine optischen Eigenschaften, seine umfangreiche Elektronik, seine Kompaktheit als auch Flexibilität in dieser Anwendung. Das Gerät ist in der Oberklasse der Spektralradiometer anzusiedeln was seine optischen Eigenschaften und Qualität angeht. In direkter Anbindung an eine Ulbrichtkugel sind Lichtstrom und Farbmessungen möglich. Verbunden mit einem ILED-B Adapter erlaubt es gemäß CIE127 Strahlstärkemessungen. Beide Messgeometrien werden bei namenhaften LED Herstellern in der Produktion, dem sogenannten Binning, vielfach eingesetzt.

 

 Schematische Darstellung abb2

Abbildung 2: BTS2048-VL mit ISD-xxx (rechts oben) in der Fertigungslinie schematisch dargestellt (links oben). Unten ist das BTS2048-VL mit ILED-B Adapter illustriert.

 

Bedingt durch den im BTS2048-VL integrierten elektronischen Shutter sind wesentlich kürzere Integraitionszeiten (kürzeste 2 µs) im Vergleich zu anderen Geräten dieser Klasse (ms Bereich) möglich. Hierdurch erhöht sich die Dynamik fast um einen Faktor 1000 ohne Einsatz von OD Filtern. Mit OD-Filtern kann die Dynamik zusätzlich erhöht werden. Zudem eliminert der elektronische Shutter die benötige Zeit des mechanischen Schutters (siehe Abbildung). Die moderne und Leistungsfähige Elektronik mit einer Vielzahl von Schnittstellen (Ethernet, USB, Trigger, etc.) ermöglicht eine schnelle Abfolge von Messreihen. D.h. die Wartezeit zwischen zwei Messungen wird reduzuiert. So ist z.B. eine Messung im 1 ms und die Folgemessung mit lediglich 6 ms Verzögerung möglich, dies spart Zeit in der Produktion und somit auch Kosten (weitere Informationen finden sie hier). In der folgenden Darstellung ist schematsich der komplette Ablauf des LED Binning Prozesses dargestellt. Zudem sind die Schritte hervorgehoben in dennen mit dem BTS2048-VL Vorteile erziehlt werden können. 

 

 shutter electronic normal2postprocessingBTS2048

Abbildung 3: Der elektronische Schutter des BTS2048-VL verkürzt die Wartezeit zwischen zwei darauffolgenden Messungen. Die Leistungsstarke Elektronik verkürzt die Berechnungszeit und Datenübertragung.

 

binning process2

Abbildung 4: Prinzipieller Ablauf eines Binning-Prozesses in der Fertigung 

 

 


 

Laboranwendung/WEK/Produktionsbegleitende QS

Für das Labor ist die BTS256-LED Serie mit dessen Flexibilität eine vielseitige Technologie. Als Handmessgerät eignet sich das BTS256-LED zur Vermessung von einzelnen LEDs. Mit Hilfe einer schnell montierbaren Diffusoroptik am Bajonettanschluss des Messgeräts kann es auf dem Goniometer oder als Bestrahlungsstärkemessgerät von Spotleuchten verwendet werden. Durch seinen Bajonettanschluss kann es zudem an verschiedensten Ulbrichtkugeln angebracht werden. D.h. es ist das optimale Spektralradiometer für vielseitige Messaufgaben im Labor (weitere Informationen finden sie hier).

 

BTS256 LEDKugel set

 

Für noch hochwertigere Messaufgaben ist gleiches Konzept mit der BTS2048 Serie möglich (weitere Informationen finden sie hier).

Der TPI21-TH ist ein Plug & Play Testsystem für Single LEDs (Star, SMD, etc.) oder LED Assemblies bis 70 mm Durchmesser. Sämtliche für die Vermessung der LED Prüflinge erforderlichen Funktionen des Keithley Sourcemeters, des  hochwertige Spektralradiometer (BTS2048-VL) und der Messfassung mit thermoelektrischer Kühlung und Heizung (LEDA-7-TEC) werden von der System-Software durchgeführt. Vorgaben für den Messzyklus können vom Anwender individuell eingestellt werden. Die Software (S-BTS2048) bietet zudem die komplette Messdatenauswertung. In der Summe seiner Eigenschaften ermöglicht dieses System  Messungen gemäß DIN 5032-9 oder CIE S025. In seiner optionalen lichtdichten Messkammer kann das Messsystem in beleuchteten Produktionsstandorten eingesetzt werden

TPI21 TH Aufbau Schrank

Abbildung 5: TPI21-TH Messsystem in der optionalen Messkammer

 


 

Applikationsprüfung vor Ort beim Kunden/Anwender

Für die Messung von Beleuchtungsstärke, Bestrahlungsstärke und Lichtfarbe sowie CRI haben wir zwei Geräte für unterschiedliche technische Anforderungen entwickelt um den Kunden möglichst das ideale Messgerät für ihre Applikation zur Verfügung zu stellen. Die BTS256-E Serie ist das hochwertige BTS basierende Handmessgerät mit guter Streulichtunterdrückung, Wellenlängengenauigkeit, etc. für höchstmögliche Präzision im Feldeinsatz oder Applikationsmessungen. Mit diesem Gerät sind dadurch unter anderem präzise Aussagen über den Farbort (Mac Adam Ellipsen, Binningfelder, etc.) für Qualitätssicherung und Überprüfungen möglich. Zudem kann die EF Version auch Flicker-Werte direkt vor Ort bestimmen.

Das MSC15 ist quasi der kleine Bruder des BTS256. Es ist preislich deutlich niedriger angesetzt mit einigen Abstrichen im optischen und funktionellen Leistungsumfang. Dafür ist dessen Bedienung und Software auf höchste Einfachheit und Intuition ausgelegt.

 

MSC15 BTS256E

 


 

5. Zusammenfassung

Die Anforderungen an das LED/SSL Prüfung  (Testing) wandeln sich stetig durch die rasante Weiterentwicklung der LED Technologie. Hierbei besteht die Herausforderung an die Messtechnik darin, dass diese nicht nur die Normen und Standards sondern auch die Anforderungen des Kunden optimal erfüllt werden. Zudem sind kurze Entwicklungsphasen sowie ein guter Support nötig um die Geschwindigkeit der LED Entwicklung auch in der Messtechnik abbilden zu können.  Gigahertz-Optik GmbH ist durch seine mittlerweile über 30 jährige Erfahrung Experte in dieser Messtechnik und stellt mit dem modularen Produktportfolio und dem hochwertigen Kalibrierlabor den optimalen Partner für ihre aktuelle und kommende Anforderungen dar.

 


 

6. Literatur

Nevas S, Wübbeler G, Sperling A, Elster C and Teuber A 2012 Simultaneous correction of bandpass and stray-light effects in array spectroradiometer data Metrologia 49 S43

Zong Y, Brown S W, Johnson B C, Lykke K R and Ohno Y 2006 Simple spectral stray light correction method for array spectroradiometers Appl. Opt. 45 1111-9

CIE84, Measurement of Luminous Flux

CIE127, Measurement of LEDS

CIE198, Determination of Measurement Uncertainties in Photometry

CIE214, Effect of Instrumental Bandpass Function

CIE S014, Colorimetry

CIE S025, Test Method for LED Lamps, LED Luminaires and LED Modules

IES LM-79-08, Electrical and Photometric Measurements of Solid-Sate Lighting Products

IES LM-80-08, Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources

DIN 5032-9 Messung der lichttechnischen Größen von inkohärent strahlenden Halbleiterlichtquellen