El Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) acaba de hacer público un nuevo informe que tiene como objetivo mejorar la comprensión de cómo se comporta la fiabilidad de los LED a lo largo de la vida útil del producto. En el estudio se evalúan los cuatro tipos principales de paquetes LED convertidos a fósforo (pc-LED) para examinar su comportamiento en cuanto al mantenimiento del flujo luminosos y los cambios de cromaticidad, basado en los datos obtenidos de la LM-80.

Los módulos LED raramente fallan de forma repentina y abrupta. En la mayoría de los casos, experimentan fallos paramétricos, como la degradación del color o disminución de su flujo luminoso. En muchas aplicaciones, la estabilidad de la cromaticidad – es decir, el grado en que la salida de luz mantiene su color – es fundamental, ya que no se pueden permitir que el color de la fuente de luz vaya cambiando a medida que avanza su vida útil. 

Para entender mejor la estabilidad de la cromaticidad en los LED, el DOE ha evaluado cuatro tipos de paquetes pc-LED (base cerámica, basado en polímeros, COB, CSP), de diferentes fabricantes representativos, para evaluar su mantenimiento del flujo luminoso y la cromaticidad, analizando los conjuntos de  datos obtenidos de los ensayos LM-80. El análisis, realizado por RTI International y LED Lighting Advisors, cubrió un total de 223 conjuntos de datos separados, la mayoría de los cuales (84%) son de pruebas completadas en 2018-19. Este estudio fue una actualización de un estudio del DOE de 2015 que se centró sólo en el mantenimiento del flujo luminoso.

Evaluación del mantenimiento del flujo luminoso

La evaluación del mantenimiento del flujo luminoso se realizó utilizando los conjuntos de datos LM-80-08 y LM-80-15 para calcular la constante de la tasa de decaimiento TM-21 (α) y la constante de normalización (B) en cada condición de prueba. A continuación, se trazó y comparó el rendimiento por tipo de paquete y condiciones operativas (por ejemplo, temperatura, corriente de alimentación, etc).

Este análisis, que es una actualización del estudio anterior completado en 2015, demostró que ha habido una mejora continua en todos los tipos de paquetes de LED. En total, el 96% de los valores de flujo luminoso tienen un L70 (el punto en el tiempo en el que la salida de luz ha disminuido hasta el 70% de la salida inicial) de casi 60.000 horas o más. Tal vez las mayores ganancias se hayan producido en los paquetes basados en polímeros, donde los mejores materiales han dado lugar a notables mejoras en el mantenimiento del flujo luminoso, hasta el punto de que el rendimiento de esos paquetes es casi el mismo que el de los paquetes basados en cerámica para las corrientes de alimentación ≤ 200 mA. Los paquetes COB y de base cerámica también han mejorado significativamente, exhibiendo un excelente mantenimiento del flujo luminoso a corrientes operacionales de 1.500 mA y superiores. Los tipos de paquetes de CSP recientemente introducidos exhiben valores de mantenimiento del flujo luminoso en línea con las demás plataformas de paquetes, especialmente a temperaturas de 120°C e inferiores y corrientes operativas de 700 mA e inferiores. 

Evaluación de los cambios de cromaticidad

Para el mantenimiento de la cromaticidad, se utilizaron los datos u’ y v’ de los informes LM-80-15 según TM-35-19, el método recientemente aprobado para proyectar los cambios de coordenadas de cromaticidad a largo plazo. La evaluación de los cambios de cromaticidad es una nueva adición a este análisis, que ha sido posible gracias al requisito LM-80-15 de informar sobre las coordenadas de cromaticidad (u’, v’). 

El primer paso de este análisis fue clasificar el comportamiento del modo de cambio de cromaticidad (CSM) para los productos. El análisis encontró que los paquetes con base cerámica tenían más probabilidades de mostrar un cambio de cromaticidad amarillo, los paquetes de polímeros tenían más probabilidades de mostrar un cambio de cromaticidad azul, y los LED CSP sin paredes laterales de polímero se dividían entre el cambio azul y el cambio verde, mientras que los LED CSP con paredes laterales de polímero se dividían entre comportamientos de cambio amarillo y azul.

Determinar los CSM para las COB fue más complicado, ya que en estos se produjeron comportamientos diferentes para los módulos analizados. En consecuencia, se necesita más investigación para comprender los mecanismos responsables de los cambios de cromaticidad en los paquetes COB. Estos hallazgos son coherentes con las evaluaciones anteriores de los CSM en los productos LED y demuestran que los mismos mecanismos de fallo de los cambios de cromaticidad siguen activos en los distintos paquetes de LED, pero los tiempos de fallo paramétrico han aumentado.

El segundo paso de la evaluación consistió en proyectar los cambios de coordenadas de cromaticidad a largo plazo utilizando los conjuntos de datos LM-80-15 y TM-35-19. La capacidad del método TM-35-19 para predecir con precisión los desplazamientos de cromaticidad de evaluó con arreglo a los tres criterios siguientes:

1. TM-35-19 debería proporcionar proyecciones precisas de la magnitud del cambio de cromaticidad (Δu’v’) en el futuro utilizando los datos experimentales disponibles. 
2. TM-35-19 debería proporcionar estimaciones precisas de la dirección del cambio de cromaticidad (es decir, los futuros valores u’ y v’) basadas en los datos experimentales
3. El modelo debería proporcionar patrones de cambio de cromaticidad proyectados que sean consistentes en todos los conjuntos de datos para un producto dado en condiciones de prueba similares; sin embargo, el momento en que se producen los diferentes cambios de cromaticidad puede cambiar dependiendo del nivel de stress (por ejemplo, la temperatura, Intensidad). Por ejemplo, si un paquete de LED se probara a 55°C, 85°C y 105°C, se esperaría que las proyecciones mostraran un patrón de comportamientos cromáticos similares a estas temperaturas, pero se esperaría que los futuros cambios de cromaticidad se produjeran antes a las temperaturas de prueba más altas.

A través de una serie de seis casos de estudio, este análisis demostró que el Criterio 1 se cumple a menudo pero no siempre. Los modelos TM-35-19 suelen ser conservadores en sus estimaciones y, en muchos casos, es probable que sobreestimen los valores futuros de u’ y v’, lo que da lugar a valores de magnitud de cambio de cromaticidad proyectados mayores (Δu’v’) que los valores reales esperados

Una consecuencia adicional de la naturaleza conservadora del modelo es una tasa de éxito generalmente baja en la proyección de las futuras direcciones del cambio de cromaticidad. Por ejemplo, muchos de los cálculos de TM-35-19 dan como resultado proyecciones del cambio de cromaticidad hacia la dirección del magenta, un cambio que no se ha observado en los pc-LED blancos. 

En resumen, TM-35-19 suele proporcionar estimaciones conservadoras de la magnitud del desplazamiento de la cromaticidad (Δu’v’), pero es mucho menos probable que produzca una estimación fiable de la dirección del desplazamiento de la cromaticidad. El método parece ser más fiable cuando se utiliza con conjuntos de datos que muestran al menos el comienzo de una fase de emergencia.