Med den kontinuerlige forbedringen av produksjonsteknologi for LED-enheter, har dens lyseffektivitet, lysstyrke og kraft blitt betydelig forbedret. Imidlertid er den fotoelektriske konverteringseffektiviteten til lysdioder fortsatt bare rundt 20 %, mens den gjenværende elektriske energien omdannes til varmeenergi, noe som fører til at komponenttemperaturen øker og lyseffektiviteten reduseres. Som en integrert del av komponenten er innkapslingsmaterialet enda mer følsomt for høye temperaturer. Derfor er feil forårsaket av innkapslingsmaterialet en av hovedårsakene som påvirker levetiden til hele LED-modulen.
Denne artikkelen fokuserer på LED-moduler som bruker vanlige silikon- og fosforinnkapslingsmaterialer. Representative prøver ble valgt ut og utsatt for aldringstester under høye-temperaturforhold. Målet er å analysere sviktadferden til innkapslingsmaterialene og finne deres sviktmekanismer. Ved å måle belysningsstyrken til prøvene online, ble virkningen av feilloven til innkapslingsmaterialet på påliteligheten til LED-prøvene under høye-temperaturforhold oppnådd.
1. Eksperiment Som et typisk elektronisk produkt med høy-pålitelighet kan lysdioder ha en levetid på flere år ved romtemperatur. Testing under konvensjonelle forhold ville være for tidkrevende-og kostbart. I følge Arrhenius-modellen avtar levetiden til LED-moduler med økende temperatur. Derfor kan økning av omgivelsestemperaturen akselerere svikt i LED-moduler. Basert på de relevante ytelsesparametrene til LED-prøvene valgt i dette eksperimentet og resultatene fra tidligere tester, ble det utført en aldringstest med konstant-temperatur og høy-temperatur ved 125 grader. De viktigste manifestasjonene av LED-feil inkluderer: en 30 % reduksjon i belysningsstyrke, flimring og fullstendig LED-feil (dvs. fullstendig slukking). For å utforske feilatferden til LED-moduler under høye-temperaturforhold, er det derfor nødvendig å forstå mønsteret av LED-belysningsendring over tid. Tradisjonelle offline testmetoder krever fjerning av prøven for testing, noe som avbryter eksperimentet og påvirker nøyaktigheten til dataene betydelig. Derfor bruker denne artikkelen en online målemetode for å overvåke endringen i belysningsstyrken over tid i sanntid.
1.1 Eksperimentell prosedyre
Den eksperimentelle prosedyren er vist i figur 1. Prøven plasseres i testkammeret for strøm-ved testing. Belysningsstyrkesignalet overføres til en belysningsmåler via optisk fiber. Belysningsmåleren konverterer lyssignalet til et elektrisk signal og sender det til innsamlingsenheten. De innhentede dataene samles inn i en datamaskin ved hjelp av samplingsprogramvare. Dette systemet kan oppdage endringer i modulbelysningsstyrke i sanntid uten å avbryte eksperimentet; derfor er nøyaktigheten til de eksperimentelle dataene høyere enn for avbrutt testmetoder.
Figur 1 - Studie om svikt i LED-modulemballasjematerialer under høye-aldringsforhold
Datainnsamlingsutstyret inkluderte en fullstendig digital multi--kanals belysningsmåler og støtteprogramvare, optisk fiber og optiske fiberklemmer. Strømforsyningen var en konstant strømkilde, og ga 350mA strøm til LED-prøvene. Aldringstestkammeret med høy-temperatur som ble brukt var Ruikai Instruments RK-TH-408UF høy- og lavtemperatur-sykkeltestkammer, med temperaturen kontrollert til 125 grader.
1.2 Testprøver
Det var fire typer testprøver, som vist i figur 2. Fra venstre til høyre er de: en blå LED ren brikkeprøve (heretter referert til som den rene brikkeprøven), en blå LED-brikke med silikon (heretter referert til som silikonprøven), en hvit LED-prøve med fosfor og silikon (heretter referert til som silikon-fosforprøven, og en hvit lysdiodeprøve med og en hvit lysdiode-prøve), referert til som fosforprøven). Disse prøvene er alle LED-moduler med safir som underlag, innkapslet på et ledende underlag ved bruk av silikon eller fosfor.
Figur 1 - Studie om svikt i LED-modulemballasjematerialer under høytemperaturaldringsforhold
2. Resultater og diskusjon
2.1 Belysningsstyrkeovervåking
Ingen flimrende eller døde lysdioder ble observert under eksperimentet. Derfor ble en reduksjon i belysningsstyrken på mer enn 30 % i en LED-prøve ansett som en feil. Fire typer prøver ble testet samtidig ved 125 grader, med fem prøver valgt for hver type. Belysningsstyrken til de fem prøvene for hver type ble beregnet som gjennomsnitt og deretter normalisert, som vist i figur 3. Figuren viser at etter ca. 120 timers testing, sank belysningsstyrken til den rene brikkeprøven med ca. 8 %, mens belysningsstyrken for de tre andre prøvene oversteg 30 %. I henhold til kriteriene for å bedømme LED-feil, mislyktes silikonprøven, fosforsilikonprøven og fosforprøven.
Figur 1 - Belysningskurve
2.2 Utseendeendringer
Utseendet til prøvene ble observert etter forsøket. Utseendet til prøvene etter eksperimentet er vist i figur 4.
Figur 1 (med tilhørende bilde)
Post-eksperiment
Bildet viser forskjellige utseendeendringer i de fire prøvene: den rene chipprøven viste liten endring, med bare liten deformasjon av den ytterste epoksyharpikslinsen; silikonprøven viste tydelig karbonisering og bobler i midten; fosforsilikonprøven viste tydelige bobler og noe mindre tydelig karbonisering i midten; og epoksyharpikslinsen til fosforprøven viste tydelig deformasjon.
2.3 Resultatanalyse
Før eksperimentet ble testprøvene inspisert og funnet å være fri for karbonisering og bobler, og brikken og linsen var rene og fri for fremmedlegemer. Etter en høy-aldringstest ved 125 grader dukket det opp karbonisering og bobler i silikonprøven, og epoksyharpikslinsen til prøven uten silikon ble deformert. Den rene chipprøven, som ikke brukte silikon eller fosfor, viste minst forandring og minst lysdemping. Etter 120 timers aldring var lysdempingen mindre enn 10 %. I henhold til feilvurderingskriteriene har denne typen prøve ennå ikke feilet. Silikonprøver med kun silikon og fosforprøver med kun fosfor mislyktes etter ca. 36 timers testing. Forskjellen lå i følgende: før svikt var belysningsgraden for silikonprøven lavere enn for fosforprøven; etter svikt akselererte imidlertid belysningsgraden til silikonprøven betydelig, noe som resulterte i en mye større belysningsnedgang etter 120 timer sammenlignet med fosforprøven. Phosphor-silikonprøver med både silikon og fosfor mislyktes etter omtrent 12 timer, med en belysningsstyrke som nådde 90 % etter 120 timer. Oppsummert kan følgende konklusjoner trekkes:
① Rene sponprøver hadde den lengste levetiden. En mulig årsak er at chipprøvene brukte et safirsubstrat uten silikon- eller fosforfylling, noe som betyr at de ikke inneholdt noe annet innkapslingsmateriale enn epoksyharpikslinser. Derfor, under samme testtid og temperaturforhold, mislyktes silikonprøver fylt med innkapslingsmateriale, fosforprøver og fosfor-silikonprøver, mens belysningsstyrken til brikkeprøvene, selv om den avtok, ikke nådde 30 %.
② Silikon og fosfor bidrar til akselerert nedbrytning av belysningsstyrken i modulen. Silikon karboniserer under høye temperaturer og produserer gass, og det er grunnen til at merkbare bobler er synlige i de testede prøvene. I blålysprøvene observeres merkbar karbonisering fordi safirsubstratet eksponerer hele brikken, noe som gjør karboniseringen direkte observerbar. Imidlertid, i prøvene med hvitt lys, skjuler et fosforbelegg på det ytre laget av brikken karboniseringsprosessen, noe som resulterer i merkbare bobler og mindre tydelig karbonisering. Videre kan fosforbelegget hindre varmespredning fra LED-prøven, noe som fører til økt temperatur og redusert belysningsstyrke. Derfor er reduksjonen i lysstyrken i fosforprøven betydelig større enn i chipprøven.
③ Ved 125 grader ekspanderer epoksyharpiks på grunn av varme. Når testen stoppes og prøvene avkjøles til romtemperatur, trekker epoksyharpiksen seg sammen på grunn av temperaturfallet, noe som forårsaker linsedeformasjon på de fjernede prøvene. Linsedeformasjon reduserer lystransmisjonen, men dette forårsaker ikke dødelig lysdemping.
3. Konklusjon Vanlige innkapslingsmaterialer (som silikon og fosfor) har en betydelig innvirkning på påliteligheten til LED-moduler. For å undersøke påvirkningen av innkapslingsmaterialer ble 125 grader valgt som omgivelsestemperatur. En nettbasert målemetode ble brukt for å utføre konstant-aldringstester på fire forskjellige prøver samtidig i et testkammer med høy-temperatur. Resultatene viser at ved 125 grader har LED-modulen uten silikon og fosfor den lengste levetiden og høy pålitelighet. Karboniseringen av silikon og de resulterende gassene, samt fosforet som hindrer varmespredning, akselererer imidlertid nedbrytningen av belysningsstyrken. Bruk av både silikon og fosfor samtidig vil føre til rask nedbrytning av belysningsstyrken, noe som fører til modulfeil.
