Díky neustálému zlepšování technologie výroby LED zařízení se výrazně zlepšila jeho světelná účinnost, jas a výkon. Nicméně účinnost fotoelektrické přeměny LED je stále jen asi 20 %, přičemž zbývající elektrická energie se přemění na tepelnou energii, což způsobí zvýšení teploty součástek a snížení světelné účinnosti. Jako integrální součást součásti je zapouzdřovací materiál ještě citlivější na vysoké teploty. Porucha způsobená materiálem zapouzdření je proto jedním z hlavních důvodů ovlivňujících životnost celého LED modulu.
Tento článek se zaměřuje na LED moduly využívající běžné silikonové a fosforové zapouzdřovací materiály. Byly vybrány reprezentativní vzorky a podrobeny zkouškám stárnutí za vysokých-teplotních podmínek. Cílem je analyzovat poruchové chování zapouzdřovacích materiálů a nalézt mechanismy jejich porušení. Online měřením osvětlenosti vzorků byl získán vliv zákona o porušení zapouzdřovacího materiálu na spolehlivost vzorků LED za vysokých-teplotních podmínek.
1. Experiment Jako typický vysoce-elektronický produkt mohou mít LED při pokojové teplotě životnost několik let. Testování za konvenčních podmínek by bylo příliš časově-náročné a nákladné. Podle modelu Arrhenius se životnost LED modulů snižuje s rostoucí teplotou. Proto zvýšení okolní teploty může urychlit selhání LED modulů. Na základě relevantních výkonnostních parametrů vzorků LED vybraných v tomto experimentu a výsledků předchozích testů byl proveden test stárnutí při konstantní-vysoké teplotě-při konstantní teplotě 125 stupňů. Mezi hlavní projevy selhání LED patří: 30% pokles osvětlení, blikání a úplné selhání LED (tj. úplné zhasnutí). Abychom tedy mohli prozkoumat chování LED modulů za vysokých-teplotních podmínek, je nutné porozumět vzoru změny osvětlení LED v průběhu času. Tradiční offline testovací metody vyžadují odebrání vzorku pro testování, což přeruší experiment a výrazně ovlivňuje přesnost dat. Proto tento dokument využívá metodu online měření pro sledování změny osvětlení v průběhu času v reálném čase.
1.1 Experimentální postup
Experimentální postup je znázorněn na obrázku 1. Vzorek se umístí do testovací komory, kde se testuje-. Jeho signál osvětlenosti je přenášen do měřiče osvětlení přes optické vlákno. Měřič osvětlení převádí světelný signál na elektrický signál a přenáší jej do akvizičního zařízení. Získaná data se shromažďují v počítači pomocí vzorkovacího softwaru. Tento systém dokáže detekovat změny v osvětlení modulu v reálném čase bez přerušení experimentu; proto je přesnost experimentálních dat vyšší než přesnost přerušovaných testovacích metod.
Obrázek 1 - Studie o selhání obalových materiálů modulů LED za podmínek stárnutí při vysokých-teplotách
Zařízení pro sběr dat zahrnovalo plně digitální vícekanálový měřič osvětlení a podpůrný software, optické vlákno a svorky pro optická vlákna. Zdrojem energie byl zdroj konstantního proudu, který poskytoval 350 mA proudu do vzorků LED. Použitou vysokoteplotní testovací komorou stárnutí při vysoké teplotě byla vysokoteplotní a nízkoteplotní cyklická testovací komora Ruikai Instruments RK-TH-408UF s řízenou teplotou 125 stupňů.
1.2 Testovací vzorky
Existovaly čtyři typy testovacích vzorků, jak je znázorněno na obrázku 2. Zleva doprava jsou to: modrý LED čistý vzorek čipu (dále jen vzorek čistého čipu), modrý LED čip se silikonem (dále jen silikonový vzorek), bílý LED vzorek s fosforem a silikonem (dále jen fosforový silikonový vzorek) a bílý LED vzorek s fosforem (dále jen vzorek fosforu). Všechny tyto vzorky jsou LED moduly se safírem jako substrátem, zapouzdřené na vodivém substrátu pomocí silikonu nebo fosforu.
Obrázek 1 - Studie o selhání obalových materiálů modulu LED za podmínek stárnutí při vysokých teplotách
2. Výsledky a diskuse
2.1 Monitorování osvětlení
Během experimentu nebylo pozorováno žádné blikání nebo mrtvé LED. Proto bylo snížení osvětlení o více než 30 % ve vzorku LED považováno za selhání. Čtyři typy vzorků byly testovány současně při 125 stupních, přičemž pro každý typ bylo vybráno pět vzorků. Osvětlení pěti vzorků pro každý typ bylo zprůměrováno a poté normalizováno, jak je znázorněno na obrázku 3. Obrázek ukazuje, že po přibližně 120 hodinách testování se osvětlenost čistého vzorku čipu snížila asi o 8 %, zatímco pokles osvětlenosti ostatních tří vzorků přesáhl 30 %. Podle kritérií pro posuzování selhání LED selhal silikonový vzorek, fosforový silikonový vzorek a fosforový vzorek.
Obrázek 1 - Křivka osvětlení
2.2 Změny vzhledu
Vzhled vzorků byl pozorován po experimentu. Vzhled vzorků po experimentu je znázorněn na obrázku 4.
Obrázek 1 (s doprovodným obrázkem)
Zveřejnit-experiment
Obrázek ukazuje různé změny vzhledu u čtyř vzorků: vzorek čistého čipu vykazoval malou změnu, pouze s mírnou deformací vnější čočky z epoxidové pryskyřice; vzorek silikonu vykazoval zjevnou karbonizaci a bublinky uprostřed; vzorek fosforového silikonu vykazoval zjevné bubliny a některé méně zřejmé karbonizace uprostřed; a čočka z epoxidové pryskyřice vzorku fosforu vykazovala zjevnou deformaci.
2.3 Analýza výsledků
Před experimentem byly zkušební vzorky zkontrolovány a bylo zjištěno, že neobsahují karbonizaci a bubliny a čip a čočka jsou čisté a bez cizích látek. Po testu stárnutí při vysoké teplotě při 125 stupních se ve vzorku silikonu objevila karbonizace a bublinky a čočka z epoxidové pryskyřice vzorku bez silikonu se zdeformovala. Čistý vzorek čipu, který nepoužíval silikon ani fosfor, vykazoval nejmenší změnu a nejmenší útlum světla. Po 120 hodinách stárnutí byl útlum světla menší než 10 %. Podle kritérií posouzení selhání tento typ vzorku dosud neprošel. Silikonové vzorky používající pouze silikon a vzorky fosforu používající pouze fosfor selhaly po přibližně 36 hodinách testování. Rozdíl spočíval v následujícím: před selháním byla rychlost poklesu osvětlení silikonového vzorku nižší než u fosforového vzorku; po selhání se však rychlost poklesu osvětlení silikonového vzorku výrazně zrychlila, což vedlo k mnohem většímu poklesu osvětlení po 120 hodinách ve srovnání s fosforovým vzorkem. Fosfor-silikonové vzorky používající silikon i fosfor selhaly přibližně po 12 hodinách, přičemž pokles osvětlení dosáhl 90 % po 120 hodinách. V souhrnu lze vyvodit následující závěry:
① Nejdelší životnost měly čisté vzorky čipů. Možným důvodem je, že vzorky čipu používaly safírový substrát bez silikonové nebo fosforové náplně, což znamená, že neobsahovaly žádný jiný zapouzdřovací materiál než čočky z epoxidové pryskyřice. Proto za stejných testovacích časových a teplotních podmínek silikonové vzorky naplněné zapouzdřovacím materiálem, fosforové vzorky a fosfor{2}}silikonové vzorky selhaly, zatímco osvětlenost vzorků čipu, i když se snižovala, nedosáhla 30 %.
② Silikon a fosfor přispívají k urychlenému poklesu osvětlení v modulu. Silikon při vysokých teplotách karbonizuje a vytváří plyn, proto jsou na testovaných vzorcích patrné znatelné bublinky. Ve vzorcích modrého světla je pozorována znatelná karbonizace, protože safírový substrát odhaluje celý čip, takže karbonizace je přímo pozorovatelná. U vzorků s bílým světlem však fosforový povlak na vnější vrstvě čipu zakrývá proces karbonizace, což má za následek znatelné bubliny a méně zřejmou karbonizaci. Kromě toho může fosforový povlak bránit odvodu tepla ze vzorku LED, což vede ke zvýšení teploty a snížení intenzity osvětlení. Proto je pokles osvětlenosti ve vzorku fosforu výrazně větší než ve vzorku čipu.
③ Při 125 stupních se epoxidová pryskyřice vlivem tepla rozpíná. Když je test zastaven a vzorky jsou ochlazeny na pokojovou teplotu, epoxidová pryskyřice se smrští vlivem poklesu teploty, což způsobí deformaci čočky na odebraných vzorcích. Deformace čočky snižuje propustnost světla, ale nezpůsobuje fatální útlum světla.
3. Závěr Běžné materiály pro zapouzdření (jako je silikon a fosfor) mají významný vliv na spolehlivost LED modulů. Pro zkoumání vlivu zapouzdřovacích materiálů bylo jako okolní teplota zvoleno 125 stupňů. K provádění testů stárnutí při konstantní teplotě na čtyřech různých vzorcích současně ve vysokoteplotní testovací komoře- byla použita metoda online měření. Výsledky ukazují, že při 125 stupních má LED modul bez silikonu a fosforu nejdelší životnost a vysokou spolehlivost. Karbonizace silikonu a výsledné plyny, stejně jako fosfor bránící odvodu tepla, však urychlují úbytek osvětlení. Současné použití silikonu a fosforu způsobí rychlý pokles osvětlení, což povede k selhání modulu.
