失敗しないための基礎知識：LED照明の故障要因まるわかり

ＬＥＤ照明推進協議会 技術副委員長
加藤 正明
ＬＥＤ照明信頼性ハンドブック（日刊工業新聞社）
故障要因 まるわかり
2015年12月4日（金）
ＪＬＥＤＳ 技術副委員長
LED NEXT STAGE 2016
篠原電機株式会社 加藤正明
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歴
LED NEXT STAGE 2016
史
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LEDの歴史
１９６０年代に暗めの
赤色と黄色のＬＥＤが
開発されました。
１９９４年
徳島と愛知で
１９６８年
２００７年LED式
ヘッドライト
設置開始
１９９６年
いつも視野に
LED有り！
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ＬＥＤ照明の発光特性
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他の光源とＬＥＤ照明の波長分布
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可視光線
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ＬＥＤ照明推進協議会（JLEDS）の発足までの経緯
発足の主旨
ＪＬＥＤＳは、２００４年６月９日に発足した任意団体です。設立までの経緯を以
下に表しました。
２００３年３月 経済産業省（ＭＥＴＩ）と（財）金属系材料研究開発センター（Ｊ
ＲＣＭ）で下記の計画案がまとめられた
【発足の主旨】
・平成１０年（1998年）～１４年（2002年）まで行われた『２１世紀のあかりプロジェクト』
の研究成果の実用化、産業の展開
・日本発のＬＥＤ照明技術、産業の発展
【事務局の設置】
当面は（財）金属系材料研究開発センター（ＪＲＣＭ）に事務局を置く
任意団体として発足させ３年を活動期間とし、その後、法人化も可能
【ＬＥＤ照明推進協議会の検討課題】
①ロードマップの策定
②市場動向の想定
④標準化 ⑤公的規制の整備
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③普及の課題抽出
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12年前に経済産業省がはっきりした志を持っていた
２００３年４月にＬＥＤ照明普及に関する打合せが行なわれた
１．日時：
第１回 ２００３年４月２４日（木） １６：００～１８：００
第２回 ２００３年５月２６日（月） １４：００～１６：３０
第３回 ２００３年７月２日（水） １４：００～１６：００
２．場所：
経済産業省会議室（本館７Ｆ東３、第６会議室）
３．議題：
ＬＥＤ照明普及のための課題・対応策
今後の検討の進め方
４．出席者：
（注）当時の役職で下記は記載しています。
日亜化学
豊田合成
東京技術ｾﾝﾀｰ
取締役（当時）
技術企画部長
脇 脩
太田 光一
吉村 直樹
松下電工 照明Ｒ＆Ｄ所長
柴田 哲朗
東芝ライテック
取締役
三宅 正信
研究所長 三浦 明
研究副所長 油浅 邦雄
ＪＲＣＭ
専務理事 小島 彰
経済産業省 非鉄金属課長
青山 市三
吉野課長補佐
石垣課長補佐
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JLEDS発足直前の準備会議と今後の方向性
２００４年２月１２日
第１回ＬＥＤ照明推進協議会準備会議
出席者： 経済産業省、小糸工業、昭和電工、スタンレー電気、住友化学工業、
東芝ライテック、豊田合成、並木精密宝石、古川電工、松下電工、三菱電機照明、
三菱電線工業、山田照明 （１２社）
２００４年３月４日
第２回ＬＥＤ照明推進協議会準備会議
出席者： 経済産業省、ＮＥＤＯ、小糸工業、シャープ、昭和電工、東芝ライテック、
豊田合成、並木精密宝石、松下電工、三菱電機照明、三菱電線工業、山田照明
（１０社）
２００４年６月９日 ＬＥＤ照明推進協議会（ＪＬＥＤＳ）が発足
【会長】日本大学；大谷教授 【副会長】松下電工；清野社長、東芝ﾗｲﾃｯｸ；袴田社長、豊田合成；松浦所長、
シャープ；宮田専務、サンユーレック；奥野専務
２００７年１１月にＮＰＯ法人登録完
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ＪＬＥＤＳのホームページ画面
（“ＪＬＥＳ”で検索してください）
施工例の紹介
最新情報の公開
最新情報
出版物の公開
漫画で見るLED
試してみる？
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ＪＬＥＤＳ はエキスパート企業の集合体です
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ＪＬＥＤＳの委員会活動
企画運営委員会
Ａ．課題抽出及び検討Ｇｒ．
広
報
委
員
会
技
術
委
員
会
ＬＥＤ照明推進の課題を集め新規テーマの立案推進
Ｂ．市場及び標準化動向調査Ｇｒ．
安全性や性能に関する調査、研究
Ｃ．啓蒙情報発信Ｇｒ．
Web活用などによる対外普及活動の推進
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新しい文化には、常に正しい安全ルールが必要です
ULの創始者
ウイリアム・ヘンリー・
メリル
1893
シカゴ博覧会電気館展示に対し保険会社は電気による火災の危険性を
理由にしり込み。W. H. メリル、徹底的検査を行って説得
1894
W.H.Merrill、万博の経験をもとに電気製品の検査機関として
Underwriters' Electric Bureau設立
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ＪＬＥＤＳがＬＥＤ照明信頼性ハンドブックを作った理由
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LED照明ハンドブック と LED照明信頼性ハンドブック
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身近に置きたい ＬＥＤ照明信頼性ハンドブック
ＬＥＤ照明信頼性ハンドブックは、
直ぐに手の届くところに置いて下さい。
2007年にＬＥＤダウンライトが発売され
て以来、日本において急速な発展を遂
げました。
しかし、６０年周期で変わっている照明
ソースとしては、まだまだこれからが大
切です。
この本は、ＪＬＥＤＳ会員企業の有志達
が手弁当で書き上げた本です。
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ＬＥＤ照明信頼性ハンドブックの構成
-----第１部 基礎編----第１章
総論
１.１.
ＬＥＤの特徴
１.２
ＬＥＤ照明の寿命
１.３
白色ＬＥＤの各部材の解説
第２章
劣化のメカニズム
第３章
各部材の諸特性
-----第２部 実務編----第１章
寿命推定の基礎
第２章
加速試験
第３章
ジャンクション温度の推定方法
第４章
光劣化のメカニズム
第５章
試験方法
第６章
関連規格
その他 コラム６項目
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ＬＥＤデバイスのテクノロジー
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どの様に作っているのか？
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青色ＬＥＤとは、どんなものか？（２ワイヤータイプ）
ITO
p-Cladding Layer
MQW
n-Cladding Layer
High Thermal Conductivity
Substrate
紫色LEDチップ
同一ｻｲｽﾞの青色LEDチップ
300 um x 800 um
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ITO
p-Cladding Layer
MQW
n-Cladding Layer
Al2O3 Substrate
青色ＬＥＤとは、どんなものか？（１ワイヤータイプ）
＋
－ フレーム側
樹脂の膨張でチップが上に押し
上げられる
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ＬＥＤの構造と形状とその用途
砲弾型ＬＥＤ
チップ型ＬＥＤ
1.6mm×0.8mm
リフレクター付ＳＭＤ
3mm×3mm
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色々なＬＥＤチップの形状
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ＬＥＤとは、どんなものか？
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ＬＥＤ照明の性能向上
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ＬＥＤ照明の性能向上特性要因図
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ＬＥＤデバイスを剥がしてみた
3.2ｍｍ
このデバイスは、ツェナーダイオード
が入っていない安価なものです。
2.8
ｍｍ
シリコーン樹脂＋蛍光体 と 金線
を取ったものです。
Ａｇは、剥離後、大気で硫化して黒く
なっています。
封止樹脂＋蛍光体と金線を取り除いたもの
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故障率曲線
このデバイスは、ツェナーダイオードが入って
います。白色ＬＥＤの特許もクリアしたものです。
ツェナーダイオードの影による効率悪化をカ
バーする為にツェナーダイオードを置く位置を
窪ませて居ます。きっちりした設計が出来てい
ます。
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直管ＬＥＤの中身？
このデバイスは、リードフレームを
Ｊベンドしています。最近は、この
ような熱意効率の悪いデバイスを
照明用に使わなくなっています。
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既存光源とＬＥＤの比較と今後の方向性
どんどん境界が
上に移動
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演色性
右下の15枚の色紙を太陽光の下で見た時との差異を表したものがＲａです。
Ｒａ８５ならば演色性が良いと言えます。
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故障率曲線
電子部品を組み合わせた製品は、下記の様に初期故障が起きなければ長期に渡り安定
して使用できます。寿命が訪れた時に再び故障率が上がります。丁度、車と同じです。
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LEDデバイスのパッケージの構造（3種類）
セラミックパッケージタイプ
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ＬＥＤランプモジュールの基板に求める事
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ＬＥＤランプモジュールの構成例（放熱ルート）
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劣化の要因
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不点灯の２次要因
■熱衝撃や機械的振動
■金属マイグレーション
金属の結晶粒界部にクラックが発
生する
水分の介在で電気泳動により正電
極側から負電極側へ移動して
ショート現象を起こす
■錫めっきから発生するウイスカ
基材とめっき皮膜の圧縮・膨張差によって左記のよう
なウイスカが発生し、回路の短絡につながる。
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各部品の劣化と取出し光量との関係
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ＬＥＤパッケージ用反射ケース樹脂
ＰＰＡ：ポリフタルアミド
ＰＣＴ： ポリシクロヘキシレンテレフタレート
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ＬＥＤパッケージ用反射ケース樹脂
この反射板の樹脂
ＰＰＡ：
ポリフタルアミド
ＰＣＴ：
ポリシクロヘキシレンテレフタレート
ＥＭＣ/ＳＭＣ： ｴﾎﾟｷｼ樹脂+ｾﾗﾐｯｸ紛体 / ｼﾘｺｰﾝ樹脂+ｾﾗﾐｯｸ紛体
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LEDパッケージ用セラミックケース
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ＬＥＤチップの表面は、エネルギーレベルが高く熱い！
Ｅ = hc/λ[J]
= hc/eλ[eV]
波長が nm 単位なら
Ｅ = hc×10^9/eλ です。
h = 6.626*10^-34[J・s]
e = 1.602*10^-19[C]
c = 2.998*10^8[m/s]
などの値より、
E≒1240/λ[eV]
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例えば540nmでは2.33eVになると論文には書
いてあるのですが
λに 540[nm] を代入すると
E = 1240/540 = 2.30[eV]
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ＬＥＤベアチップのエネルギー密度
ＬＥＤチップの天面
の熱密度は、
ホットプレートの
約５倍
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白色ＬＥＤの封止材料
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封止材料の比較図
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封止樹脂の透過率変化
LEDチップ近傍のエポキシ
樹脂が黄変する
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アルミベース基板の放熱性比較
チップ温度を低減
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ＬＥＤチップの温度変化押さえてで接続不良の未然防止
ΔＶＦ法：
ＬＥＤチップが発熱するとＶＦが下がる事を利用した測定方法
金線
接続部に抵抗
があればチップ
温度が上昇し
ＶＦが下がる
LEDベアチップ
銀ペースト
プリント基板又
はリードフレーム
チップ温度上昇
時間経過
微電流によ
るＶＦ測定
ＶＦ２
ＶＦ１
ＶＦ１-ＶＦ２＝⊿ＶＦ
低格電流による温度上昇
時間経過
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過渡熱抵抗例
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金属基板の検討
一部のLED式交通信号機
に使用されている。
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ＬＥＤデバイスで起こるトラブル総括
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窒化アルミとセラミック基板
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Ｊベンドとフラットフレーム
熱可塑性樹脂
熱硬化性樹脂
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各種評価装置の実物紹介
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本には、載っていない内容！
Ａ．太陽光が当たるとＬＥＤ照明が
壊れるものがあるって本当？
Ｂ．発光効率の数値だけを上げる方法
があるって本当？
Ｃ．１０年後のＬＥＤ照明の制御システムは、
変わっているのか？世界標準は？
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Ａ．ＬＥＤ照明に太陽光が当たったら発電する？
＋
ＬＥＤの電極が
剥がれた！
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Ａ．ＬＥＤ照明に光が当たったら、発電した電力は何をする？
保護膜
Ｐ電極パッド
透明電極
Ｎ電極パッド
色々なタイプの電極構造
Ｐ窒化物半導体
発光層
サファイア
Ｎ窒化物半導体
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Ａ．ＬＥＤ照明に光が当たったら？ 実験は、簡単です
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Ｂ．緑が多いと発光効率が高くなる
緑
青
赤
ここを持ち上げれば
測定値は、高くなる。
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Ｂ．紫外線カットガラスの中は、赤っぽい
あべのハルカスは、
何故、青いのか？
Ｕ
Ｖ
ガ
ラ
ス
ビルのガラス
が青く見えて
いる。
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Ｃ．世界における ＫＮＸ + ＤＡＬＩ
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Ｃ．世界における ＫＮＸ + ＤＡＬＩ
KNXは国際標準(ISO/IEC 14543) 欧州標準(CENELEC50090/CEN13321) 中国標準(GB/T 20965)として承認されています。
つまり、KNXは将来も存続する規格であるということです。KNX商標ロゴは相互運用性を保証するものですので、異なるメーカーのKNX製品を組み合わせることが
可能です。ゆえにKNXは住宅・ビル制御の国際標準なのです。 KNX会員企業は世界で380社を越え、さまざまな用途に向けて約7000のKNX認定製品群が販売さ
れています
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DALIシステム構成例
Ｃ．世界における KNX + DALI
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Ｃ．日本におけるHome Energy Management System（ＨＥＭＳ）
ＮＥＣ
デンソー
日本は、優等生の集まりで
ガラパゴス化していなか？
トヨタメディアサービス
ＮＴＴ東日本
パナソニック
東芝
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ご静聴
ありがとうございました
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