Met de voortdurende verbetering van de productietechnologie van LED-apparaten zijn de lichtefficiëntie, helderheid en kracht ervan aanzienlijk verbeterd. De foto-elektrische conversie-efficiëntie van LED's bedraagt echter nog steeds slechts ongeveer 20%, waarbij de resterende elektrische energie wordt omgezet in warmte-energie, waardoor de temperatuur van de componenten stijgt en de lichtefficiëntie afneemt. Als integraal onderdeel van het onderdeel is het omhulselmateriaal nog gevoeliger voor hoge temperaturen. Daarom is falen veroorzaakt door het inkapselingsmateriaal een van de belangrijkste redenen die de levensduur van de gehele LED-module beïnvloeden.
Dit artikel richt zich op LED-modules die gebruik maken van gangbare siliconen- en fosforinkapselingsmaterialen. Representatieve monsters werden geselecteerd en onderworpen aan verouderingstests onder hoge- temperatuuromstandigheden. Het doel is om het faalgedrag van de inkapselingsmaterialen te analyseren en hun faalmechanismen te vinden. Door de verlichtingssterkte van de monsters online te meten, werd de impact van de faalwet van het inkapselingsmateriaal op de betrouwbaarheid van de LED-monsters onder hoge -temperaturen verkregen.
1. Experiment Als typisch elektronisch product met hoge- betrouwbaarheid kunnen LED's bij kamertemperatuur een levensduur van meerdere jaren hebben. Testen onder conventionele omstandigheden zou te tijdrovend en kostbaar zijn. Volgens het Arrhenius-model neemt de levensduur van LED-modules af naarmate de temperatuur stijgt. Daarom kan het verhogen van de omgevingstemperatuur het falen van LED-modules versnellen. Op basis van de relevante prestatieparameters van de in dit experiment geselecteerde LED-monsters en de resultaten van eerdere tests werd een verouderingstest bij constante-hoge temperatuur-temperatuur uitgevoerd bij 125 graden. De belangrijkste manifestaties van LED-storingen zijn: een afname van de verlichtingssterkte met 30%, flikkering en volledige LED-uitval (dwz volledig doven). Om het faalgedrag van LED-modules onder hoge-temperaturen te onderzoeken, is het daarom noodzakelijk om het patroon van de verandering van de LED-verlichtingssterkte in de loop van de tijd te begrijpen. Traditionele offline testmethoden vereisen dat het monster wordt verwijderd om te testen, wat het experiment onderbreekt en de nauwkeurigheid van de gegevens aanzienlijk beïnvloedt. Daarom gebruikt dit artikel een online meetmethode om de verandering van de verlichtingssterkte in de loop van de tijd in realtime te volgen.
1.1 Experimentele procedure
De experimentele procedure wordt weergegeven in figuur 1. Het monster wordt in de testkamer geplaatst voor kracht-testen. Het verlichtingssterktesignaal wordt via optische vezels naar een verlichtingssterktemeter verzonden. De verlichtingssterktemeter zet het lichtsignaal om in een elektrisch signaal en stuurt dit naar het opnameapparaat. De verkregen gegevens worden verzameld in een computer met behulp van bemonsteringssoftware. Dit systeem kan veranderingen in de verlichtingssterkte van de module in realtime detecteren zonder het experiment te onderbreken; daarom is de nauwkeurigheid van de experimentele gegevens hoger dan die van onderbroken testmethoden.
Figuur 1 - Onderzoek naar het falen van verpakkingsmaterialen voor LED-modules onder verouderingsomstandigheden bij hoge- temperaturen
De data-acquisitieapparatuur omvatte een volledig digitale meer-kanaalsverlichtingssterktemeter en ondersteunende software, optische vezels en optische vezelklemmen. De voeding was een constante stroombron, die 350 mA stroom aan de LED-monsters leverde. De gebruikte testkamer voor veroudering bij hoge temperatuur was de Ruikai Instruments RK-TH-408UF testkamer voor hoge en lage temperaturen, waarbij de temperatuur op 125 graden werd geregeld.
1.2 Testmonsters
Er waren vier soorten testmonsters, zoals weergegeven in figuur 2. Van links naar rechts zijn dit: een puur chipmonster met blauwe LED (hierna het pure chipmonster genoemd), een blauwe LED-chip met siliconen (hierna het siliconenmonster genoemd), een wit LED-monster met fosfor en siliconen (hierna het fosforsiliconenmonster genoemd) en een wit LED-monster met fosfor (hierna het fosformonster genoemd). Deze monsters zijn allemaal LED-modules met saffier als substraat, ingekapseld op een geleidend substraat met behulp van siliconen of fosfor.
Figuur 1 - Onderzoek naar het falen van verpakkingsmaterialen voor LED-modules onder verouderingsomstandigheden bij hoge temperaturen
2. Resultaten en discussie
2.1 Verlichtingssterktebewaking
Tijdens het experiment werden geen flikkerende of dode LED's waargenomen. Daarom werd een afname van de verlichtingssterkte van meer dan 30% in een LED-monster als een mislukking beschouwd. Vier soorten monsters werden gelijktijdig getest bij 125 graden, waarbij voor elk type vijf monsters werden geselecteerd. De verlichtingssterkte van de vijf monsters voor elk type werd gemiddeld en vervolgens genormaliseerd, zoals weergegeven in Figuur 3. De figuur laat zien dat na ongeveer 120 uur testen de verlichtingssterkte van het pure chipmonster met ongeveer 8% daalde, terwijl de verlichtingssterkteafname van de andere drie monsters de 30% overschreed. Volgens de criteria voor het beoordelen van LED-storingen faalden het siliconenmonster, het fosforsiliconenmonster en het fosformonster.
Figuur 1 - Verlichtingscurve
2.2 Veranderingen in uiterlijk
Het uiterlijk van de monsters werd na het experiment waargenomen. Het uiterlijk van de monsters na het experiment wordt getoond in Figuur 4.
Figuur 1 (met bijbehorende afbeelding)
Post-experiment
De afbeelding toont verschillende uiterlijke veranderingen in de vier monsters: het zuivere chipmonster vertoonde weinig verandering, met slechts een lichte vervorming van de buitenste lens van epoxyhars; het siliconenmonster vertoonde duidelijke carbonisatie en belletjes in het midden; het fosforsiliconenmonster vertoonde duidelijke belletjes en wat minder duidelijke carbonisatie in het midden; en de epoxyharslens van het fosformonster vertoonde duidelijke vervorming.
2.3 Resultatenanalyse
Vóór het experiment werden de testmonsters geïnspecteerd en vrij bevonden van carbonisatie en bellen, en de chip en lens waren schoon en vrij van vreemde stoffen. Na een verouderingstest bij hoge- temperatuur bij 125 graden verschenen carbonisatie en belletjes in het siliconenmonster en vervormde de lens van epoxyhars van het monster zonder siliconen. Het pure chipmonster, dat geen siliconen of fosfor gebruikte, vertoonde de minste verandering en de minste lichtverzwakking. Na 120 uur veroudering was de lichtverzwakking minder dan 10%. Volgens de faalbeoordelingscriteria is dit type monster nog niet mislukt. Siliconenmonsters die alleen siliconen gebruikten en fosformonsters die alleen fosfor gebruikten, faalden na ongeveer 36 uur testen. Het verschil lag in het volgende: vóór het falen was de vervalsnelheid van de verlichtingssterkte van het siliconenmonster lager dan die van het fosformonster; Na falen versnelde de verlichtingssterkte-vervalsnelheid van het siliconenmonster echter aanzienlijk, wat resulteerde in een veel groter verlichtingsverval na 120 uur vergeleken met het fosformonster. Fosfor-siliconenmonsters die zowel siliconen als fosfor gebruikten, faalden na ongeveer 12 uur, waarbij het verlichtingssterkteverlies na 120 uur 90% bereikte. Samenvattend kunnen de volgende conclusies worden getrokken:
① Pure chipmonsters hadden de langste levensduur. Een mogelijke reden is dat de chipmonsters een saffiersubstraat gebruikten zonder siliconen- of fosforvulling, wat betekent dat ze geen ander inkapselingsmateriaal bevatten dan lenzen van epoxyhars. Daarom faalden onder dezelfde testtijd en temperatuuromstandigheden siliconenmonsters gevuld met inkapselingsmateriaal, fosformonsters en fosfor{2}}siliconenmonsters, terwijl de verlichtingssterkte van de chipmonsters, hoewel afgenomen, geen 30% bereikte.
② Siliconen en fosfor dragen bij aan een versneld verval van de verlichtingssterkte in de module. Siliconen verkolen bij hoge temperaturen, waarbij gas ontstaat. Daarom zijn in de geteste monsters merkbare belletjes zichtbaar. In de blauwlichtmonsters wordt merkbare carbonisatie waargenomen omdat het saffiersubstraat de gehele chip blootlegt, waardoor de carbonisatie direct waarneembaar wordt. In de monsters met wit licht verduistert een fosforcoating op de buitenste laag van de chip echter het carbonisatieproces, wat resulteert in merkbare belletjes en minder duidelijke carbonisatie. Bovendien kan de fosforcoating de warmteafvoer van het LED-monster belemmeren, wat leidt tot verhoogde temperatuur en verminderde verlichtingssterkte. Daarom is de afname van de verlichtingssterkte in het fosformonster aanzienlijk groter dan die in het chipmonster.
③ Bij 125 graden zet epoxyhars uit door hitte. Wanneer de test wordt gestopt en de monsters worden afgekoeld tot kamertemperatuur, trekt de epoxyhars samen als gevolg van de temperatuurdaling, waardoor lensvervorming op de verwijderde monsters ontstaat. Lensvervorming vermindert de lichttransmissie, maar dit veroorzaakt geen fatale lichtverzwakking.
3. Conclusie Gangbare inkapselingsmaterialen (zoals siliconen en fosfor) hebben een aanzienlijke invloed op de betrouwbaarheid van LED-modules. Om de invloed van inkapselingsmaterialen te onderzoeken, werd 125 graden gekozen als omgevingstemperatuur. Er werd een online meetmethode gebruikt om verouderingstests bij constante-temperatuur uit te voeren op vier verschillende monsters tegelijk in een testkamer met hoge- temperatuur. Uit de resultaten blijkt dat bij 125 graden de LED-module zonder siliconen en fosfor de langste levensduur en hoge betrouwbaarheid heeft. De carbonisatie van siliconen en de resulterende gassen, evenals de fosfor die de warmteafvoer belemmert, versnellen echter het verval van de verlichtingssterkte. Het gelijktijdig gebruiken van zowel siliconen als fosfor zal een snel verval van de verlichtingssterkte veroorzaken, wat kan leiden tot modulestoringen.
