Amb la millora contínua de la tecnologia de fabricació de dispositius LED, la seva eficiència lluminosa, brillantor i potència s'han millorat significativament. Tanmateix, l'eficiència de conversió fotoelèctrica dels LED encara és només d'un 20%, i l'energia elèctrica restant es converteix en energia tèrmica, fent que la temperatura dels components augmenti i que l'eficiència lluminosa disminueixi. Com a part integral del component, el material d'encapsulació és encara més sensible a les altes temperatures. Per tant, la fallada causada pel material d'encapsulació és una de les principals raons que afecten la vida útil de tot el mòdul LED.
Aquest article se centra en mòduls LED que utilitzen materials d'encapsulació de silicona i fòsfor comuns. Es van seleccionar mostres representatives i es van sotmetre a proves d'envelliment en condicions d'alta-temperatura. L'objectiu és analitzar el comportament de fallada dels materials d'encapsulació i trobar els seus mecanismes de fallada. Mitjançant la mesura de la il·luminació de les mostres en línia, es va obtenir l'impacte de la llei de fallada del material d'encapsulació en la fiabilitat de les mostres de LED en condicions d'alta -temperatura.
1. Experiment Com a producte electrònic típic d'alta-fiabilitat, els LED poden tenir una vida útil de diversos anys a temperatura ambient. Fer proves en condicions convencionals seria massa temps-i costosa. Segons el model Arrhenius, la vida útil dels mòduls LED disminueix amb l'augment de la temperatura. Per tant, augmentar la temperatura ambient pot accelerar la fallada dels mòduls LED. A partir dels paràmetres de rendiment rellevants de les mostres de LED seleccionades en aquest experiment i dels resultats de proves anteriors, es va dur a terme una prova d'envelliment a -temperatura alta-constante temperatura a 125 graus. Les principals manifestacions de la fallada del LED inclouen: una disminució del 30% de la il·luminació, parpelleig i una fallada completa del LED (és a dir, extinció completa). Per tant, per explorar el comportament de fallada dels mòduls LED en condicions d'alta-temperatura, cal entendre el patró de canvi de la il·luminació LED al llarg del temps. Els mètodes tradicionals de prova fora de línia requereixen eliminar la mostra per a la prova, cosa que interromp l'experiment i afecta significativament la precisió de les dades. Per tant, aquest article adopta un mètode de mesura en línia per controlar el canvi d'il·luminació al llarg del temps en temps real.
1.1 Procediment experimental
El procediment experimental es mostra a la figura 1. La mostra es col·loca a la cambra de prova per poder-la prova. El seu senyal d'il·luminació es transmet a un mesurador d'il·luminació mitjançant fibra òptica. El mesurador d'il·luminació converteix el senyal lluminós en un senyal elèctric i el transmet al dispositiu d'adquisició. Les dades adquirides es recullen en un ordinador mitjançant un programari de mostreig. Aquest sistema pot detectar canvis en la il·luminació del mòdul en temps real sense interrompre l'experiment; per tant, la precisió de les dades experimentals és superior a la dels mètodes de prova interromputs.
Figura 1 - Estudi sobre el fracàs dels materials d'embalatge del mòdul LED en condicions d'envelliment d'alta-temperatura
L'equip d'adquisició de dades incloïa un mesurador d'il·luminació multi-totalment digital i programari de suport, fibra òptica i pinces de fibra òptica. La font d'alimentació era una font de corrent constant, proporcionant 350 mA de corrent a les mostres de LED. La cambra de prova d'envelliment a alta -temperatura utilitzada va ser la cambra de prova de cicle d'alta i baixa temperatura de Ruikai Instruments RK-TH-408UF, amb la temperatura controlada a 125 graus.
1.2 Proves de mostres
Hi havia quatre tipus de mostres de prova, tal com es mostra a la figura 2. D'esquerra a dreta, són: una mostra de xip pur LED blau (d'ara endavant anomenada mostra de xip pur), un xip LED blau amb silicona (en endavant, mostra de silicona), una mostra de LED blanc amb fòsfor i silicona (d'ara endavant denominada mostra de fòsfor i silicona) i una mostra blanca de fòsfor (mostra de fòsfor amb silicona). Aquestes mostres són tots mòduls LED amb safir com a substrat, encapsulats en un substrat conductor amb silicona o fòsfor.
Figura 1 - Estudi sobre la fallada dels materials d'embalatge del mòdul LED en condicions d'envelliment a alta temperatura
2. Resultats i discussió
2.1 Monitorització de la il·luminació
Durant l'experiment no es va observar cap LED parpellejant ni mort. Per tant, una disminució de la il·luminació de més del 30% en una mostra de LED es va considerar una fallada. Es van provar quatre tipus de mostres simultàniament a 125 graus, amb cinc mostres seleccionades per a cada tipus. La il·luminació de les cinc mostres per a cada tipus es va promediar i després es va normalitzar, tal com es mostra a la figura 3. La figura mostra que després d'aproximadament 120 hores de prova, la il·luminació de la mostra de xip pur va disminuir un 8%, mentre que la disminució de la il·luminació de les altres tres mostres va superar el 30%. Segons els criteris per jutjar la fallada del LED, la mostra de silicona, la mostra de silicona de fòsfor i la mostra de fòsfor van fallar.
Figura 1 - Corba d'il·luminació
2.2 Canvis d'aparença
L'aparició de les mostres es va observar després de l'experiment. L'aspecte de les mostres després de l'experiment es mostra a la figura 4.
Figura 1 (amb imatge adjunta)
Publica l'-experiment
La imatge mostra diferents canvis d'aparença en les quatre mostres: la mostra de xip pur va mostrar pocs canvis, amb només una lleugera deformació de la lent de resina epoxi més externa; la mostra de silicona mostrava una carbonització evident i bombolles al mig; la mostra de silicona de fòsfor mostrava bombolles evidents i alguna carbonització menys evident al mig; i la lent de resina epoxi de la mostra de fòsfor mostrava una deformació evident.
2.3 Anàlisi de resultats
Abans de l'experiment, es van inspeccionar les mostres de prova i es va trobar que no tenien carbonització ni bombolles, i el xip i la lent estaven nets i lliures de matèria estranya. Després d'una prova d'envelliment a -alta temperatura a 125 graus, van aparèixer carbonització i bombolles a la mostra de silicona i la lent de resina epoxi de la mostra sense silicona es va deformar. La mostra de xip pur, que no utilitzava silicona ni fòsfor, va mostrar el menor canvi i la menor atenuació de la llum. Després de 120 h d'envelliment, l'atenuació de la llum era inferior al 10%. Segons els criteris de judici de fallada, aquest tipus de mostra encara no ha fallat. Les mostres de silicona que utilitzaven només silicona i mostres de fòsfor que utilitzaven només fòsfor van fallar després d'aproximadament 36 hores de prova. La diferència rau en el següent: abans del fracàs, la taxa de decadència de la il·luminació de la mostra de silicona era inferior a la de la mostra de fòsfor; tanmateix, després del fracàs, la taxa de decadència de la il·luminació de la mostra de silicona es va accelerar significativament, donant lloc a una disminució de la il·luminació molt més gran després de 120 hores en comparació amb la mostra de fòsfor. Les mostres de fòsfor-silicone que utilitzaven tant silicona com fòsfor van fallar després d'aproximadament 12 hores, amb una disminució de la il·luminació que va arribar al 90% després de 120 hores. En resum, es poden extreure les següents conclusions:
① Les mostres de xips purs van tenir la vida útil més llarga. Una possible raó és que les mostres de xip utilitzaven un substrat de safir sense farciment de silicona o fòsfor, el que significa que no contenien cap material d'encapsulació que no sigui lents de resina epoxi. Per tant, sota les mateixes condicions de temps i temperatura de prova, les mostres de silicona plenes de material d'encapsulació, mostres de fòsfor i mostres de silicona fòsfor-han fallat, mentre que la il·luminació de les mostres de xip, tot i que va disminuir, no va arribar al 30%.
② La silicona i el fòsfor contribueixen a la decadència accelerada de la il·luminació al mòdul. La silicona carbonitza a altes temperatures, produint gas, per això es veuen bombolles notables a les mostres provades. A les mostres de llum blava, s'observa una carbonització notable perquè el substrat de safir exposa tot el xip, fent que la carbonització sigui directament observable. Tanmateix, a les mostres de llum blanca, un recobriment de fòsfor a la capa exterior del xip enfosquia el procés de carbonització, donant lloc a bombolles notables i carbonització menys òbvia. A més, el recobriment de fòsfor pot dificultar la dissipació de calor de la mostra LED, provocant un augment de la temperatura i una disminució de la il·luminació. Per tant, la disminució de la il·luminació a la mostra de fòsfor és significativament més gran que la de la mostra de xip.
③ A 125 graus, la resina epoxi s'expandeix a causa de la calor. Quan la prova s'atura i les mostres es refreden a temperatura ambient, la resina epoxi es contrau a causa de la baixada de temperatura, provocant la deformació de la lent a les mostres eliminades. La deformació de la lent redueix la transmissió de la llum, però això no provoca una atenuació de la llum fatal.
3. Conclusió Els materials d'encapsulació comuns (com la silicona i el fòsfor) tenen un impacte significatiu en la fiabilitat dels mòduls LED. Per investigar la influència dels materials d'encapsulació, es va seleccionar 125 graus com a temperatura ambient. Es va utilitzar un mètode de mesura en línia per dur a terme proves d'envelliment a-temperatura constant en quatre mostres diferents simultàniament en una cambra de prova d'-alta temperatura. Els resultats mostren que a 125 graus, el mòdul LED sense silicona i fòsfor té la vida útil més llarga i una alta fiabilitat. Tanmateix, la carbonització de la silicona i els gasos resultants, així com el fòsfor que dificulta la dissipació de la calor, acceleren la decadència de la il·luminació. L'ús de silicona i fòsfor simultàniament provocarà una ràpida decadència de la il·luminació, provocant una fallada del mòdul.
