Завдяки постійному вдосконаленню технології виробництва світлодіодних пристроїв, їх світлова ефективність, яскравість і потужність були значно покращені. Однак ефективність фотоелектричного перетворення світлодіодів все ще становить лише близько 20%, а решта електричної енергії перетворюється на теплову, що призводить до підвищення температури компонентів і зниження світлової ефективності. Будучи невід’ємною частиною компонента, матеріал капсуляції ще більш чутливий до високих температур. Тому несправність, спричинена матеріалом капсуляції, є однією з основних причин, що впливають на термін служби всього світлодіодного модуля.
Ця стаття присвячена світлодіодним модулям, які використовують звичайні силіконові та люмінофорні матеріали для інкапсуляції. Репрезентативні зразки були відібрані та піддані випробуванням на старіння в умовах високої-температури. Мета полягає в тому, щоб проаналізувати поведінку матеріалів для герметизації та знайти механізми їх руйнування. Вимірюючи освітленість зразків в режимі онлайн, було отримано вплив закону руйнування матеріалу інкапсуляції на надійність зразків світлодіодів за високих-температурних умов.
1. Експеримент Як типовий високо-надійний електронний продукт, світлодіоди можуть працювати кілька років за кімнатної температури. Тестування за звичайних умов займе надто-час і дорого. Відповідно до моделі Арреніуса, термін служби світлодіодних модулів зменшується з підвищенням температури. Тому підвищення температури навколишнього середовища може прискорити вихід світлодіодних модулів з ладу. На основі відповідних параметрів продуктивності зразків світлодіодів, відібраних у цьому експерименті, і результатів попередніх випробувань було проведено випробування на старіння при постійній-високій{8}}температурі при 125 градусах. До основних проявів несправності світлодіода відносяться: зниження освітленості на 30%, мерехтіння і повний вихід світлодіода з ладу (тобто повне згасання). Тому, щоб дослідити поведінку світлодіодних модулів при виході з ладу за високих-температурних умов, необхідно зрозуміти закономірність зміни світлодіодної освітленості з часом. Традиційні методи автономного тестування вимагають видалення зразка для тестування, що перериває експеримент і суттєво впливає на точність даних. Тому в цьому документі використовується онлайн-метод вимірювання для моніторингу зміни освітленості з плином часу в реальному часі.
1.1 Експериментальна процедура
Експериментальна процедура показана на малюнку 1. Зразок поміщають у випробувальну камеру для-тестування під час живлення. Його сигнал освітленості передається на вимірювач освітленості через оптичне волокно. Вимірювач освітленості перетворює світловий сигнал в електричний і передає його на пристрій збору. Отримані дані збираються на комп’ютері за допомогою програмного забезпечення для вибірки. Ця система може виявляти зміни в освітленості модуля в реальному часі, не перериваючи експеримент; отже, точність експериментальних даних вища, ніж у методів тестування з перервами.
Малюнок 1 - Дослідження несправності пакувальних матеріалів світлодіодного модуля в умовах високо-температурного старіння
Обладнання для збору даних включало повністю цифровий багато-канальний вимірювач освітленості та допоміжне програмне забезпечення, оптичне волокно та затискачі для оптоволокна. Джерело живлення було джерелом постійного струму, що забезпечувало струм 350 мА для зразків світлодіодів. Камерою для випробувань на старіння при високій-температурі, яку використовували, була камера Ruikai Instruments RK-TH-408UF із високотемпературною циклічною випробувальною камерою з контрольованою температурою 125 градусів.
1.2 Тестові зразки
Було чотири типи досліджуваних зразків, як показано на малюнку 2. Зліва направо це: зразок чистого світлодіодного чіпа синього кольору (надалі – зразок чистого чіпа), синій світлодіодний чіп із силіконом (надалі – зразок силікону), зразок білого світлодіода з люмінофором і силіконом (надалі – зразок люмінофорного силікону) та зразок білого світлодіода з люмінофором (надалі – зразок люмінофора). Ці зразки являють собою світлодіодні модулі з сапфіровою підкладкою, інкапсульовані на провідній підкладці за допомогою силікону або люмінофора.
Малюнок 1 - Дослідження несправності пакувальних матеріалів світлодіодного модуля в умовах високотемпературного старіння
2. Результати та їх обговорення
2.1 Моніторинг освітленості
Під час експерименту не спостерігалося мерехтіння або згасання світлодіодів. Тому зниження освітленості більш ніж на 30% у зразку світлодіода вважалося невдачею. Чотири типи зразків були протестовані одночасно при 125 градусах, з п'ятьма зразками, відібраними для кожного типу. Освітленість п’яти зразків для кожного типу була усереднена, а потім нормалізована, як показано на малюнку 3. На малюнку показано, що після приблизно 120 годин тестування освітленість чистого зразка мікросхеми зменшилася приблизно на 8%, тоді як зменшення освітленості трьох інших зразків перевищило 30%. Згідно з критеріями оцінки несправності світлодіодів, силіконовий зразок, зразок люмінофорного силікону та зразок люмінофору вийшли з ладу.
Малюнок 1 - Крива освітлення
2.2 Зміни зовнішнього вигляду
За зовнішнім виглядом зразків спостерігали після досліду. Зовнішній вигляд зразків після експерименту показаний на малюнку 4.
Рисунок 1 (із супровідним зображенням)
Опублікувати-експеримент
На зображенні показано різні зміни зовнішнього вигляду в чотирьох зразках: зразок чистого чіпу показав незначні зміни, лише з незначною деформацією зовнішньої лінзи з епоксидної смоли; зразок силікону показав очевидну карбонізацію та бульбашки в середині; зразок люмінофорного силікону показав очевидні бульбашки та деяку менш очевидну карбонізацію в середині; і лінза з епоксидної смоли зразка люмінофора показала очевидну деформацію.
2.3 Аналіз результатів
Перед експериментом досліджувані зразки були перевірені та виявили відсутність карбонізації та бульбашок, а чіп і лінза були чистими та вільними від сторонніх речовин. Після високотемпературного-випробування на старіння при 125 градусах у зразку силікону з’явилися карбонізація та бульбашки, а лінза з епоксидної смоли зразка без силікону деформувалася. Зразок чистого чіпа, який не використовував силікон або люмінофор, продемонстрував найменшу зміну та найменше ослаблення світла. Після 120 годин старіння ослаблення світла становило менше 10%. Відповідно до критеріїв оцінки невдачі, цей тип зразка ще не був невдалим. Силіконові зразки з використанням лише силікону та зразки люмінофору з використанням лише люмінофору виявилися невдалими після приблизно 36 годин тестування. Відмінність полягала в наступному: до руйнування швидкість загасання освітленості зразка силікону була нижчою, ніж зразка люмінофора; однак після виходу з ладу швидкість зниження освітленості силіконового зразка значно прискорилася, що призвело до набагато більшого зниження освітленості через 120 годин порівняно зі зразком люмінофора. Фосфор-силіконові зразки, в яких використовувався як силікон, так і люмінофор, вийшли з ладу приблизно через 12 годин, а зниження освітленості досягло 90% через 120 годин. Підсумовуючи, можна зробити такі висновки:
① Чисті зразки мікросхем мали найдовший термін служби. Можлива причина полягає в тому, що зразки чіпів використовували сапфірову підкладку без силіконового або люмінофорного наповнення, тобто вони не містили іншого матеріалу для інкапсуляції, крім лінз з епоксидної смоли. Таким чином, за однакового часу та температурних умов тестування силіконові зразки, наповнені матеріалом для інкапсуляції, зразки люмінофору та зразки люмінофор-силікону вийшли з ладу, тоді як освітленість зразків чіпів, хоча й зменшилася, не досягла 30%.
② Силікон і люмінофор сприяють прискореному згасанню освітленості в модулі. Силікон карбонізується під дією високих температур, утворюючи газ, тому на тестованих зразках видно помітні бульбашки. У зразках синього світла спостерігається помітна карбонізація, оскільки сапфірова підкладка оголює весь чіп, завдяки чому карбонізацію можна безпосередньо спостерігати. Однак у зразках білого світла люмінофорне покриття на зовнішньому шарі мікросхеми приховує процес карбонізації, що призводить до помітних бульбашок і менш очевидної карбонізації. Крім того, люмінофорне покриття може перешкоджати розсіюванню тепла від світлодіодного зразка, що призводить до підвищення температури та зниження освітленості. Тому зменшення освітленості у зразку люмінофора значно більше, ніж у зразку чіпа.
③ При 125 градусах епоксидна смола розширюється через нагрівання. Коли випробування припиняють і зразки охолоджують до кімнатної температури, епоксидна смола стискається через перепад температури, викликаючи деформацію лінз на вилучених зразках. Деформація лінзи зменшує пропускання світла, але це не спричиняє фатального ослаблення світла.
3. Висновок Звичайні матеріали для капсулювання (такі як силікон і люмінофор) мають значний вплив на надійність світлодіодних модулів. Щоб дослідити вплив матеріалів інкапсуляції, як температуру навколишнього середовища було обрано 125 градусів. Онлайн-метод вимірювання використовувався для проведення випробувань на старіння при постійній-температурі на чотирьох різних зразках одночасно в камері для випробувань при високій{5}}температурі. Результати показують, що при 125 градусах світлодіодний модуль без силікону та люмінофору має найдовший термін служби та високу надійність. Однак карбонізація силікону та гази, що утворюються, а також люмінофор, який перешкоджає розсіюванню тепла, прискорюють згасання освітленості. Одночасне використання силікону та люмінофора призведе до швидкого зниження освітленості, що призведе до виходу модуля з ладу.
