Dzięki ciągłemu doskonaleniu technologii produkcji urządzeń LED znacznie poprawiła się ich skuteczność świetlna, jasność i moc. Jednak sprawność konwersji fotoelektrycznej diod LED wynosi nadal tylko około 20%, a pozostała energia elektryczna jest przekształcana w energię cieplną, co powoduje wzrost temperatury elementów i zmniejszenie skuteczności świetlnej. Jako integralna część komponentu, materiał kapsułkujący jest jeszcze bardziej wrażliwy na wysokie temperatury. Dlatego awarie spowodowane materiałem hermetyzacyjnym są jedną z głównych przyczyn wpływających na żywotność całego modułu LED.
W artykule skupiono się na modułach LED wykorzystujących powszechnie stosowane materiały do kapsułkowania silikonowe i fosforowe. Wybrano reprezentatywne próbki i poddano je testom starzenia w warunkach wysokiej-temperatury. Celem jest analiza zachowania materiałów hermetyzacyjnych w przypadku awarii i znalezienie mechanizmów ich awarii. Mierząc natężenie oświetlenia próbek online, uzyskano wpływ prawa awarii materiału kapsułkującego na niezawodność próbek LED w warunkach-wysokiej temperatury.
1. Eksperyment Jako typowy produkt elektroniczny-o wysokiej niezawodności, diody LED mogą mieć żywotność kilku lat w temperaturze pokojowej. Testowanie w konwencjonalnych warunkach byłoby zbyt-zbyt czasochłonne i kosztowne. Według modelu Arrheniusa żywotność modułów LED maleje wraz ze wzrostem temperatury. Dlatego zwiększenie temperatury otoczenia może przyspieszyć awarię modułów LED. W oparciu o odpowiednie parametry wydajności próbek diod LED wybranych w tym eksperymencie i wyniki poprzednich testów, przeprowadzono test starzenia w stałej-wysokiej-temperaturze w temperaturze 125 stopni. Do głównych objawów awarii diod LED zalicza się: spadek natężenia oświetlenia o 30%, migotanie i całkowitą awarię diod LED (tzn. całkowite wygaszenie). Dlatego też, aby zbadać zachowanie modułów LED w przypadku awarii w warunkach wysokiej-temperatury, konieczne jest zrozumienie wzorca zmian natężenia oświetlenia LED w czasie. Tradycyjne metody testowania offline wymagają wyjęcia próbki do badania, co przerywa eksperyment i znacząco wpływa na dokładność danych. Dlatego w tym artykule przyjęto metodę pomiaru online w celu monitorowania zmian natężenia oświetlenia w czasie w czasie rzeczywistym.
1.1 Procedura eksperymentalna
Procedurę eksperymentalną pokazano na rysunku 1. Próbkę umieszcza się w komorze testowej w celu sprawdzenia-połączenia. Sygnał natężenia oświetlenia jest przesyłany do miernika natężenia oświetlenia za pomocą światłowodu. Miernik natężenia oświetlenia przetwarza sygnał świetlny na sygnał elektryczny i przesyła go do urządzenia rejestrującego. Pozyskane dane gromadzone są w komputerze za pomocą oprogramowania do pobierania próbek. System ten może wykrywać zmiany w oświetleniu modułu w czasie rzeczywistym, bez przerywania eksperymentu; dlatego dokładność danych eksperymentalnych jest wyższa niż w przypadku przerywanych metod testowania.
Rysunek 1 - Badanie dotyczące uszkodzeń materiałów opakowaniowych modułów LED w-warunkach starzenia w wysokiej temperaturze
Sprzęt do gromadzenia danych obejmował w pełni cyfrowy, wielokanałowy-miernik natężenia oświetlenia oraz oprogramowanie pomocnicze, światłowód i zaciski światłowodu. Zasilacz stanowił źródło prądu stałego, dostarczając do próbek diod LED prąd o natężeniu 350 mA. Zastosowaną komorą do badań starzenia-w wysokiej temperaturze była komora do badań cyklicznych w wysokiej i niskiej temperaturze Ruikai Instruments RK-TH-408UF, z temperaturą kontrolowaną na poziomie 125 stopni.
1.2 Próbki testowe
Wyróżniono cztery typy próbek testowych, jak pokazano na rysunku 2. Od lewej do prawej są to: próbka czystego chipa z niebieską diodą LED (zwana dalej próbką czystego chipa), próbka niebieskiego chipa LED z silikonem (zwana dalej próbką silikonu), próbka białej diody LED z fosforem i silikonem (zwana dalej próbką krzemu fosforu) oraz próbka białej diody LED z luminoforem (zwana dalej próbką luminoforu). Próbki te to moduły LED z szafirowym podłożem, zamknięte na przewodzącym podłożu z użyciem silikonu lub fosforu.
Rysunek 1 - Badanie dotyczące uszkodzeń materiałów opakowaniowych modułów LED w warunkach starzenia w wysokiej temperaturze
2. Wyniki i dyskusja
2.1 Monitorowanie natężenia oświetlenia
Podczas eksperymentu nie zaobserwowano żadnych migoczących ani martwych diod LED. Dlatego spadek natężenia oświetlenia w próbce LED o ponad 30% uznano za awarię. Jednocześnie badano cztery rodzaje próbek w temperaturze 125 stopni, przy czym dla każdego typu wybrano po pięć próbek. Natężenie oświetlenia pięciu próbek każdego typu uśredniono, a następnie znormalizowano, jak pokazano na rysunku 3. Z rysunku wynika, że po około 120 godzinach badania natężenie oświetlenia próbki czystego chipa spadło o około 8%, podczas gdy spadek natężenia oświetlenia pozostałych trzech próbek przekroczył 30%. Zgodnie z kryteriami oceny awarii diody LED, próbka silikonu, próbka silikonu fosforowego i próbka fosforu nie powiodły się.
Rysunek 1 - Krzywa oświetlenia
2.2 Zmiany wyglądu
Po doświadczeniu obserwowano wygląd próbek. Wygląd próbek po przeprowadzeniu eksperymentu przedstawiono na rysunku 4.
Rysunek 1 (wraz z towarzyszącym obrazem)
Post-eksperyment
Zdjęcie pokazuje różne zmiany w wyglądzie czterech próbek: próbka czystego chipa wykazała niewielkie zmiany, z jedynie niewielkim odkształceniem zewnętrznej soczewki z żywicy epoksydowej; próbka silikonu wykazała wyraźne zwęglenie i pęcherzyki w środku; próbka silikonu fosforowego wykazała wyraźne pęcherzyki i mniej widoczne zwęglenie w środku; a soczewka z żywicy epoksydowej próbki luminoforu wykazywała oczywiste odkształcenie.
2.3 Analiza wyników
Przed eksperymentem sprawdzono próbki testowe i stwierdzono, że są wolne od zwęglenia i pęcherzyków, a chip i soczewka są czyste i wolne od ciał obcych. Po teście starzenia w wysokiej-temperaturze w temperaturze 125 stopni w próbce silikonowej pojawiły się zwęglenia i pęcherzyki, a soczewka z żywicy epoksydowej próbki bez silikonu uległa deformacji. Próbka czystego chipa, w którym nie zastosowano silikonu ani fosforu, wykazała najmniejsze zmiany i najmniejsze tłumienie światła. Po 120 godzinach starzenia tłumienie światła było mniejsze niż 10%. Zgodnie z kryteriami oceny niepowodzenia, tego typu próbka jeszcze nie uległa awarii. Próbki silikonu zawierające wyłącznie silikon i próbki luminoforu zawierające wyłącznie luminofor nie powiodły się po około 36 godzinach badania. Różnica polegała na tym, że przed uszkodzeniem szybkość zaniku oświetlenia próbki silikonowej była niższa niż próbki luminoforu; jednakże po awarii tempo zaniku natężenia oświetlenia próbki silikonowej znacznie przyspieszyło, co skutkowało znacznie większym zanikiem natężenia oświetlenia po 120 godzinach w porównaniu z próbką luminoforu. Próbki fosforu-silikonu zawierające zarówno silikon, jak i fosfor uległy zniszczeniu po około 12 godzinach, a po 120 godzinach spadek natężenia oświetlenia osiągnął 90%. Podsumowując, można wyciągnąć następujące wnioski:
① Próbki czystych chipów miały najdłuższą żywotność. Możliwą przyczyną jest to, że próbki chipów wykorzystywały podłoże szafirowe bez wypełnienia silikonowego lub fosforowego, co oznacza, że nie zawierały żadnego materiału kapsułkującego innego niż soczewki z żywicy epoksydowej. Dlatego też w tych samych warunkach czasu i temperatury badania próbki silikonu wypełnione materiałem kapsułkującym, próbki luminoforu i próbki luminoforu-silikonu nie powiodły się, podczas gdy natężenie oświetlenia próbek chipów, choć spadało, nie osiągnęło 30%.
② Silikon i fosfor przyczyniają się do przyspieszonego zaniku natężenia oświetlenia w module. Silikon pod wpływem wysokich temperatur karbonizuje, wytwarzając gaz, dlatego w badanych próbkach widoczne są zauważalne pęcherzyki. W próbkach światła niebieskiego obserwuje się zauważalną karbonizację, ponieważ szafirowe podłoże odsłania cały chip, dzięki czemu karbonizacja jest bezpośrednio obserwowalna. Jednakże w próbkach światła białego powłoka fosforowa na zewnętrznej warstwie chipa zaciemnia proces karbonizacji, powodując zauważalne pęcherzyki i mniej oczywistą karbonizację. Ponadto powłoka luminoforowa może utrudniać odprowadzanie ciepła z próbki diody LED, co prowadzi do wzrostu temperatury i zmniejszenia natężenia oświetlenia. Dlatego spadek natężenia oświetlenia w próbce luminoforu jest znacznie większy niż w próbce chipa.
③ W temperaturze 125 stopni żywica epoksydowa rozszerza się pod wpływem ciepła. Po zatrzymaniu badania i ochłodzeniu próbek do temperatury pokojowej żywica epoksydowa kurczy się pod wpływem spadku temperatury, powodując deformację soczewki w usuniętych próbkach. Deformacja soczewki zmniejsza przepuszczalność światła, ale nie powoduje śmiertelnego osłabienia światła.
3. Wniosek Powszechnie stosowane materiały kapsułkujące (takie jak silikon i fosfor) mają znaczący wpływ na niezawodność modułów LED. Aby zbadać wpływ materiałów kapsułkujących, jako temperaturę otoczenia wybrano 125 stopni. Zastosowano metodę pomiaru online do przeprowadzenia testów starzenia-w stałej temperaturze na czterech różnych próbkach jednocześnie w komorze testowej-wysokotemperaturowej. Wyniki pokazują, że przy 125 stopniach moduł LED bez silikonu i luminoforu ma najdłuższą żywotność i wysoką niezawodność. Jednakże karbonizacja silikonu i powstających gazów, a także fosfor utrudniający odprowadzanie ciepła, przyspieszają zanik natężenia oświetlenia. Jednoczesne użycie silikonu i luminoforu spowoduje szybki spadek natężenia oświetlenia, co prowadzi do awarii modułu.
