Благодаря постоянному совершенствованию технологии производства светодиодных устройств значительно улучшились их светоотдача, яркость и мощность. Однако эффективность фотоэлектрического преобразования светодиодов по-прежнему составляет лишь около 20%, а оставшаяся электрическая энергия преобразуется в тепловую, что приводит к повышению температуры компонентов и снижению светоотдачи. Являясь неотъемлемой частью компонента, герметизирующий материал еще более чувствителен к высоким температурам. Поэтому выход из строя, вызванный материалом герметизации, является одной из основных причин, влияющих на срок службы всего светодиодного модуля.
В этой статье основное внимание уделяется светодиодным модулям, в которых используются обычные силиконовые и люминофорные герметизирующие материалы. Репрезентативные образцы были отобраны и подвергнуты испытаниям на старение в условиях высоких-температур. Цель состоит в том, чтобы проанализировать отказоустойчивость герметизирующих материалов и найти механизмы их разрушения. Путем онлайн-измерения освещенности образцов было получено влияние закона разрушения герметизирующего материала на надежность образцов светодиодов в условиях высоких-температур.
1. Эксперимент Как типичное электронное изделие высокой-надежности, светодиоды могут прослужить несколько лет при комнатной температуре. Тестирование в обычных условиях заняло бы-слишком много времени и средств. Согласно модели Аррениуса, срок службы светодиодных модулей уменьшается с повышением температуры. Поэтому повышение температуры окружающей среды может ускорить выход из строя светодиодных модулей. Основываясь на соответствующих рабочих параметрах образцов светодиодов, выбранных в этом эксперименте, и результатах предыдущих испытаний, было проведено испытание на старение при постоянной -высокой- температуре при 125 градусах Цельсия. К основным проявлениям выхода из строя светодиодов относятся: снижение освещенности на 30%, мерцание и полный выход из строя светодиода (т.е. полное погасание). Поэтому, чтобы изучить поведение светодиодных модулей при отказе в условиях высоких-температур, необходимо понять характер изменения освещенности светодиодов с течением времени. Традиционные методы автономного тестирования требуют удаления образца для тестирования, что прерывает эксперимент и существенно влияет на точность данных. Поэтому в этой статье используется метод онлайн-измерений для мониторинга изменения освещенности с течением времени в режиме реального времени.
1.1 Экспериментальная процедура
Процедура эксперимента показана на рисунке 1. Образец помещается в испытательную камеру для испытания при включении питания-. Его сигнал освещенности передается на измеритель освещенности по оптоволоконному кабелю. Измеритель освещенности преобразует световой сигнал в электрический сигнал и передает его на устройство сбора данных. Полученные данные собираются на компьютере с помощью программного обеспечения для отбора проб. Эта система может обнаруживать изменения освещенности модуля в режиме реального времени, не прерывая эксперимент; поэтому точность экспериментальных данных выше, чем у прерывистых методов испытаний.
Рисунок 1 - Исследование разрушения упаковочных материалов светодиодных модулей в условиях высоко-температурного старения
Оборудование для сбора данных включало в себя полностью цифровой многоканальный-измеритель освещенности и вспомогательное программное обеспечение, оптоволокно и оптоволоконные зажимы. Источник питания представлял собой источник постоянного тока, обеспечивающий ток 350 мА на образцы светодиодов. В качестве камеры для испытаний на высокотемпературное старение использовалась камера Ruikai Instruments RK-TH-408UF для циклических испытаний на высокие и низкие температуры с температурой, контролируемой на уровне 125 градусов.
1.2 Тестовые образцы
Было четыре типа тестовых образцов, как показано на рисунке 2. Слева направо это: образец чистого чипа синего светодиода (далее именуемый «образец чистого чипа»), синий светодиодный чип с силиконом (далее именуемый «образец силикона»), образец белого светодиода с люминофором и силиконом (далее «образец люминофорного силикона») и образец белого светодиода с люминофором (далее «образец люминофора»). Все эти образцы представляют собой светодиодные модули с сапфировой подложкой, инкапсулированные на проводящую подложку с использованием силикона или люминофора.
Рисунок 1 - Исследование разрушения материалов упаковки светодиодных модулей в условиях высокотемпературного старения
2. Результаты и обсуждение.
2.1 Мониторинг освещенности
В ходе эксперимента не наблюдалось мерцания или неработающих светодиодов. Поэтому снижение освещенности более чем на 30% в образце светодиода считалось отказом. Четыре типа образцов были испытаны одновременно при температуре 125 градусов, по пять образцов каждого типа. Освещенность пяти образцов для каждого типа была усреднена, а затем нормализована, как показано на рисунке 3. На рисунке видно, что примерно через 120 часов тестирования освещенность чистого образца чипа снизилась примерно на 8%, в то время как снижение освещенности трех других образцов превысило 30%. Согласно критериям оценки неисправности светодиода, образец силикона, образец силикона с люминофором и образец люминофора не прошли проверку.
Рисунок 1 - Кривая освещенности
2.2 Изменения внешнего вида
Внешний вид образцов наблюдали после эксперимента. Внешний вид образцов после эксперимента представлен на рисунке 4.
Рисунок 1 (с сопроводительным изображением)
Опубликовать-Эксперимент
На изображении показаны различные изменения внешнего вида четырех образцов: образец чистой крошки показал небольшие изменения, с небольшой деформацией внешней линзы из эпоксидной смолы; образец силикона показал явную карбонизацию и пузыри в середине; образец фосфористого силикона показал явные пузырьки и некоторую менее очевидную карбонизацию в середине; а линза из эпоксидной смолы образца люминофора показала очевидную деформацию.
2.3 Анализ результатов
Перед экспериментом тестовые образцы были осмотрены и признаны свободными от карбонизации и пузырей, а чип и линза были чистыми и не содержали посторонних веществ. После испытания на старение при высокой-температуре при 125 градусах в образце силикона появились карбонизация и пузырьки, а линза из эпоксидной смолы образца без силикона деформировалась. Образец чистого чипа, в котором не использовался силикон или люминофор, показал наименьшее изменение и наименьшее затухание света. После 120 часов старения ослабление света составило менее 10%. Согласно критериям оценки неудачи, этот тип образца еще не потерпел неудачу. Образцы силикона, в которых использовался только силикон, и образцы люминофора, в которых использовался только люминофор, вышли из строя примерно через 36 часов испытаний. Разница заключалась в следующем: до разрушения скорость затухания освещенности образца силикона была ниже, чем у образца люминофора; однако после отказа скорость затухания освещенности образца силикона значительно увеличилась, что привело к гораздо большему снижению освещенности через 120 часов по сравнению с образцом люминофора. Образцы фосфорного-силикона, в которых использовались как силикон, так и люминофор, вышли из строя примерно через 12 часов, при этом снижение освещенности достигло 90 % через 120 часов. Подводя итоги, можно сделать следующие выводы:
① Образцы чистого чипа имели самый длительный срок службы. Возможная причина заключается в том, что в образцах чипов использовалась сапфировая подложка без силиконового или люминофорного наполнения, то есть они не содержали никакого герметизирующего материала, кроме линз из эпоксидной смолы. Таким образом, при одинаковом времени и температурных условиях испытаний образцы силикона, заполненные герметизирующим материалом, образцы люминофора и образцы люминофорного силикона - все вышли из строя, а освещенность образцов чипов хотя и снизилась, но не достигла 30%.
② Силикон и люминофор способствуют ускоренному снижению освещенности модуля. Силикон карбонизуется под воздействием высоких температур, выделяя газ, поэтому в протестированных образцах видны заметные пузырьки. В образцах, освещенных синим светом, наблюдается заметная карбонизация, поскольку сапфировая подложка обнажает весь чип, что позволяет непосредственно наблюдать карбонизацию. Однако в образцах белого света люминофорное покрытие на внешнем слое чипа скрывает процесс карбонизации, что приводит к заметным пузырькам и менее очевидной карбонизации. Кроме того, люминофорное покрытие может препятствовать отводу тепла от образца светодиода, что приводит к повышению температуры и снижению освещенности. Поэтому снижение освещенности в образце люминофора значительно больше, чем в образце чипа.
③ При температуре 125 градусов эпоксидная смола расширяется под действием тепла. Когда испытание прекращается и образцы охлаждаются до комнатной температуры, эпоксидная смола сжимается из-за перепада температуры, вызывая деформацию линз на удаленных образцах. Деформация линзы снижает светопропускание, но это не приводит к фатальному ослаблению света.
3. Заключение Обычные герметизирующие материалы (такие как силикон и люминофор) оказывают существенное влияние на надежность светодиодных модулей. Для исследования влияния герметизирующих материалов в качестве температуры окружающей среды была выбрана 125 градусов. Метод онлайн-измерений использовался для проведения испытаний на старение при постоянной-температуре четырех различных образцов одновременно в высоко-испытательной камере. Результаты показывают, что при 125 градусах светодиодный модуль без силикона и люминофора имеет самый длительный срок службы и высокую надежность. Однако карбонизация силикона и образующиеся при этом газы, а также люминофор, препятствующий отводу тепла, ускоряют падение освещенности. Одновременное использование силикона и люминофора приведет к быстрому снижению освещенности, что приведет к выходу модуля из строя.
