Z nenehnim izboljševanjem tehnologije izdelave LED naprav so se bistveno izboljšale njena svetlobna učinkovitost, svetlost in moč. Vendar pa je učinkovitost fotoelektrične pretvorbe LED še vedno le približno 20 %, pri čemer se preostala električna energija pretvori v toplotno energijo, zaradi česar se temperatura komponente dvigne, svetlobni izkoristek pa zmanjša. Inkapsulacijski material je kot sestavni del komponente še bolj občutljiv na visoke temperature. Zato je okvara, ki jo povzroči material za inkapsulacijo, eden od glavnih razlogov, ki vplivajo na življenjsko dobo celotnega modula LED.
Ta dokument se osredotoča na module LED, ki uporabljajo običajne silikonske in fosforne materiale za inkapsulacijo. Izbrani so bili reprezentativni vzorci, na katerih so bili opravljeni preskusi staranja pri visokih-temperaturnih pogojih. Cilj je analizirati obnašanje pri okvarah materialov za inkapsulacijo in poiskati njihove mehanizme odpovedi. Z merjenjem osvetlitve vzorcev na spletu je bil pridobljen vpliv zakona o okvari materiala za inkapsulacijo na zanesljivost vzorcev LED pri visokih-temperaturnih pogojih.
1. Eksperiment Kot tipičen visoko{1}}zanesljiv elektronski izdelek imajo LED diode lahko življenjsko dobo več let pri sobni temperaturi. Testiranje v običajnih pogojih bi bilo preveč zamudno-in drago. Po Arrheniusovem modelu se življenjska doba LED modulov zmanjšuje z naraščajočo temperaturo. Zato lahko zvišanje temperature okolja pospeši odpoved LED modulov. Na podlagi ustreznih parametrov delovanja vzorcev LED, izbranih v tem poskusu, in rezultatov prejšnjih preskusov je bil izveden preskus staranja pri visoki-temperaturi pri konstantni-temperaturi pri 125 stopinjah. Glavni znaki okvare LED so: 30-odstotno zmanjšanje osvetlitve, utripanje in popolna odpoved LED (tj. popolna ugasnitev). Zato je za raziskovanje obnašanja napak modulov LED pri visokih-temperaturnih pogojih potrebno razumeti vzorec spreminjanja osvetlitve LED skozi čas. Tradicionalne metode testiranja brez povezave zahtevajo odstranitev vzorca za testiranje, kar prekine poskus in bistveno vpliva na točnost podatkov. Zato je v tem dokumentu uporabljena spletna merilna metoda za spremljanje spremembe osvetljenosti skozi čas v realnem času.
1.1 Eksperimentalni postopek
Eksperimentalni postopek je prikazan na sliki 1. Vzorec se postavi v preskusno komoro za-preskušanje ob vklopu. Signal njegove osvetljenosti se prek optičnega vlakna prenaša na merilnik osvetljenosti. Merilnik osvetljenosti pretvori svetlobni signal v električni signal in ga posreduje napravi za zajemanje. Pridobljeni podatki se zbirajo v računalniku s programsko opremo za vzorčenje. Ta sistem lahko zazna spremembe v osvetljenosti modula v realnem času, ne da bi prekinil poskus; zato je točnost eksperimentalnih podatkov višja kot pri metodah prekinjenega testiranja.
Slika 1 - Študija o odpovedi embalažnih materialov modulov LED v pogojih staranja pri visoki-temperaturi
Oprema za pridobivanje podatkov je vključevala popolnoma digitalni več{0}}kanalni merilnik osvetlitve in podporno programsko opremo, optična vlakna in sponke za optična vlakna. Napajalnik je bil vir stalnega toka, ki je vzorcem LED zagotavljal tok 350 mA. Uporabljena preskusna komora za visoko-temperaturno staranje je bila komora Ruikai Instruments RK-TH-408UF za ciklično visoko in nizko temperaturo, s temperaturo, nadzorovano na 125 stopinj.
1.2 Testni vzorci
Obstajajo štiri vrste testnih vzorcev, kot je prikazano na sliki 2. Od leve proti desni so: modri vzorec čistega LED čipa (v nadaljevanju vzorec čistega čipa), modri LED čip s silikonom (v nadaljevanju vzorec silikona), beli vzorec LED s fosforjem in silikonom (v nadaljevanju vzorec fosfornega silikona) in beli vzorec LED s fosforjem (v nadaljevanju vzorec fosforja). Vsi ti vzorci so moduli LED s substratom iz safirja, inkapsulirani na prevodnem substratu s pomočjo silikona ali fosforja.
Slika 1 - Študija o odpovedi embalažnih materialov modulov LED v pogojih staranja pri visoki temperaturi
2. Rezultati in razprava
2.1 Nadzor osvetljenosti
Med poskusom niso opazili nobenih utripajočih ali mrtvih LED. Zato se je zmanjšanje osvetlitve za več kot 30 % v vzorcu LED štelo za napako. Štiri vrste vzorcev so bile testirane hkrati pri 125 stopinjah, pri čemer je bilo za vsako vrsto izbranih pet vzorcev. Osvetljenost petih vzorcev za vsako vrsto je bila povprečena in nato normalizirana, kot je prikazano na sliki 3. Slika kaže, da se je po približno 120 urah testiranja osvetlitev vzorca čistega čipa zmanjšala za približno 8 %, medtem ko je zmanjšanje osvetljenosti ostalih treh vzorcev preseglo 30 %. Glede na merila za presojo okvare LED so vzorec silikona, vzorec fosfornega silikona in vzorec fosforja odpovedali.
Slika 1 - Krivulja osvetlitve
2.2 Spremembe videza
Videz vzorcev smo opazovali po poskusu. Videz vzorcev po poskusu je prikazan na sliki 4.
Slika 1 (s priloženo sliko)
Objavi-poskus
Slika prikazuje različne spremembe videza v štirih vzorcih: vzorec čistega čipa je pokazal majhne spremembe, z le rahlo deformacijo najbolj zunanje leče iz epoksi smole; vzorec silikona je pokazal očitno karbonizacijo in mehurčke na sredini; vzorec fosfornega silikona je pokazal očitne mehurčke in nekaj manj očitne karbonizacije na sredini; in leča iz epoksidne smole fosfornega vzorca je pokazala očitno deformacijo.
2.3 Analiza rezultatov
Pred poskusom so bili preskusni vzorci pregledani in ugotovljeno je bilo, da na njih ni karbonizacije in mehurčkov, čip in leča pa sta bila čista in brez tujkov. Po visoko-testnem staranju pri 125 stopinjah so se v vzorcu silikona pojavili karbonizacija in mehurčki, leča iz epoksidne smole vzorca brez silikona pa se je deformirala. Vzorec čistega čipa, ki ni uporabljal silikona ali fosforja, je pokazal najmanjšo spremembo in najmanjšo slabitev svetlobe. Po 120 urah staranja je bila slabitev svetlobe manjša od 10 %. Po kriterijih presoje neuspeha ta vrsta vzorca še ni bila neuspešna. Silikonski vzorci, ki so uporabljali samo silikon, in fosforni vzorci, ki so uporabljali samo fosfor, niso bili uspešni po približno 36 urah testiranja. Razlika je bila v naslednjem: pred odpovedjo je bila stopnja upada osvetlitve silikonskega vzorca manjša kot pri fosfornem vzorcu; vendar se je po okvari stopnja upadanja osvetljenosti silikonskega vzorca znatno pospešila, kar je povzročilo veliko večji upad osvetljenosti po 120 urah v primerjavi z vzorcem fosforja. Vzorci fosfor-silikona, pri katerih sta bila uporabljena tako silikon kot fosfor, so bili neuspešni po približno 12 urah, z upadom osvetljenosti, ki je po 120 urah dosegel 90 %. Če povzamemo, lahko sklepamo naslednje:
① Vzorci čistih čipov so imeli najdaljšo življenjsko dobo. Možen razlog je, da so vzorci čipov uporabljali safirno podlago brez silikonskega ali fosfornega polnila, kar pomeni, da niso vsebovali nobenega materiala za kapsulacijo razen leč iz epoksi smole. Zato pri enakem času testiranja in temperaturnih pogojih silikonski vzorci, napolnjeni z inkapsulacijskim materialom, fosforni vzorci in fosfor-silikonski vzorci niso uspeli, medtem ko osvetljenost vzorcev čipov, čeprav se je zmanjšala, ni dosegla 30 %.
② Silikon in fosfor prispevata k pospešenemu upadanju osvetljenosti v modulu. Silikon pod visokimi temperaturami karbonizira, pri čemer nastaja plin, zato so na testiranih vzorcih vidni opazni mehurčki. V vzorcih modre svetlobe je opaziti opazno karbonizacijo, ker safirni substrat izpostavi celoten čip, zaradi česar je karbonizacijo neposredno opazna. Vendar pa v vzorcih bele svetlobe fosforna prevleka na zunanji plasti čipa zakrije proces karbonizacije, kar ima za posledico opazne mehurčke in manj očitno karbonizacijo. Poleg tega lahko fosforna prevleka ovira odvajanje toplote iz vzorca LED, kar vodi do povišane temperature in zmanjšane osvetljenosti. Zato je zmanjšanje osvetljenosti v vzorcu fosforja bistveno večje kot v vzorcu čipa.
③ Pri 125 stopinjah se epoksidna smola razširi zaradi toplote. Ko se preskus prekine in se vzorci ohladijo na sobno temperaturo, se epoksidna smola zaradi padca temperature skrči, kar povzroči deformacijo leče na odstranjenih vzorcih. Deformacija leče zmanjša prepustnost svetlobe, vendar to ne povzroči usodnega slabljenja svetlobe.
3. Zaključek Običajni materiali za inkapsulacijo (kot sta silikon in fosfor) pomembno vplivajo na zanesljivost modulov LED. Da bi raziskali vpliv materialov za inkapsulacijo, je bila kot temperatura okolja izbrana 125 stopinj. Spletna merilna metoda je bila uporabljena za izvajanje preskusov staranja pri konstantni-temperaturi na štirih različnih vzorcih hkrati v visoko-temperaturni preskusni komori. Rezultati kažejo, da ima pri 125 stopinjah LED modul brez silikona in fosforja najdaljšo življenjsko dobo in visoko zanesljivost. Vendar pa karbonizacija silikona in nastali plini ter fosfor, ki ovirajo odvajanje toplote, pospešijo upadanje osvetljenosti. Hkratna uporaba silikona in fosforja bo povzročila hitro upadanje osvetljenosti, kar bo povzročilo okvaro modula.
