Uz kontinuirano poboljšanje tehnologije proizvodnje LED uređaja, njihova svjetlosna učinkovitost, svjetlina i snaga značajno su poboljšani. Međutim, učinkovitost fotoelektrične pretvorbe LED dioda još uvijek je samo oko 20%, dok se preostala električna energija pretvara u toplinsku energiju, uzrokujući porast temperature komponente i smanjenje svjetlosne učinkovitosti. Kao sastavni dio komponente, materijal za kapsuliranje još je osjetljiviji na visoke temperature. Stoga je kvar uzrokovan materijalom za kapsuliranje jedan od glavnih razloga koji utječu na životni vijek cijelog LED modula.
Ovaj se rad usredotočuje na LED module koji koriste uobičajene silikonske i fosforne materijale za kapsuliranje. Reprezentativni uzorci su odabrani i podvrgnuti ispitivanju starenja u uvjetima visoke-temperature. Cilj je analizirati ponašanje materijala za kapsuliranje kod kvara i pronaći njihove mehanizme kvara. Mjerenjem osvijetljenosti uzoraka na mreži, dobiven je utjecaj zakona kvara materijala za kapsuliranje na pouzdanost LED uzoraka u uvjetima visoke-temperature.
1. Eksperiment Kao tipičan visoko-pouzdani elektronički proizvod, LED diode mogu imati životni vijek od nekoliko godina na sobnoj temperaturi. Testiranje u konvencionalnim uvjetima bilo bi previše dugo-i skupo. Prema Arrheniusovom modelu životni vijek LED modula smanjuje se s porastom temperature. Stoga povećanje temperature okoline može ubrzati kvar LED modula. Na temelju relevantnih parametara izvedbe uzoraka LED dioda odabranih u ovom eksperimentu i rezultata prethodnih testova, provedeno je ispitivanje starenja pri konstantnoj-visokoj{8}}temperaturi na 125 stupnjeva. Glavne manifestacije kvara LED-a uključuju: smanjenje osvjetljenja za 30%, treperenje i potpuni kvar LED-a (tj. potpuno gašenje). Stoga, da bi se istražilo ponašanje kvara LED modula u uvjetima visoke-temperature, potrebno je razumjeti obrazac promjene LED osvjetljenja tijekom vremena. Tradicionalne offline metode testiranja zahtijevaju uklanjanje uzorka za testiranje, što prekida eksperiment i značajno utječe na točnost podataka. Stoga ovaj rad usvaja online metodu mjerenja za praćenje promjene osvjetljenja tijekom vremena u stvarnom vremenu.
1.1 Eksperimentalni postupak
Eksperimentalni postupak prikazan je na slici 1. Uzorak se stavlja u ispitnu komoru za-ispitivanje uključenog napajanja. Njegov signal osvjetljenja prenosi se do mjerača osvjetljenja putem optičkog vlakna. Mjerač osvjetljenja pretvara svjetlosni signal u električni signal i prenosi ga na uređaj za prikupljanje. Prikupljeni podaci prikupljaju se u računalu pomoću softvera za uzorkovanje. Ovaj sustav može otkriti promjene u osvjetljenju modula u stvarnom vremenu bez prekida eksperimenta; stoga je točnost eksperimentalnih podataka veća nego kod metoda ispitivanja s prekidima.
Slika 1 - Studija o kvaru materijala za pakiranje LED modula u uvjetima starenja na visokim-temperaturama
Oprema za prikupljanje podataka uključivala je potpuno digitalni više{0}}kanalni mjerač osvjetljenja i prateći softver, optička vlakna i stezaljke za optička vlakna. Napajanje je bio izvor konstantne struje, osiguravajući 350 mA struje za LED uzorke. Komora za ispitivanje starenja na visokim-temperaturama koja je korištena bila je komora za ciklično ispitivanje visoke i niske temperature Ruikai Instruments RK-TH-408UF, s temperaturom kontroliranom na 125 stupnjeva.
1.2 Ispitni uzorci
Postojale su četiri vrste ispitnih uzoraka, kao što je prikazano na slici 2. Slijeva na desno, to su: uzorak plavog LED čistog čipa (u daljnjem tekstu uzorak čistog čipa), plavi LED čip sa silikonom (u daljnjem tekstu uzorak silikona), bijeli uzorak LED s fosforom i silikonom (u daljnjem tekstu uzorak fosfornog silikona) i bijeli uzorak LED s fosforom (u daljnjem tekstu uzorak fosfora). Ovi uzorci su svi LED moduli sa safirom kao supstratom, inkapsulirani na vodljivoj podlozi pomoću silikona ili fosfora.
Slika 1 - Studija o kvaru materijala za pakiranje LED modula u uvjetima starenja na visokim temperaturama
2. Rezultati i rasprava
2.1 Praćenje osvjetljenja
Tijekom eksperimenta nisu primijećene svjetlucave ili mrtve LED diode. Stoga se smanjenje osvjetljenja za više od 30% u uzorku LED-a smatralo kvarom. Četiri vrste uzoraka testirane su istovremeno na 125 stupnjeva, s pet uzoraka odabranih za svaku vrstu. Osvjetljenje pet uzoraka za svaku vrstu je prosječno i zatim normalizirano, kao što je prikazano na slici 3. Slika pokazuje da je nakon otprilike 120 sati ispitivanja, osvjetljenje čistog uzorka čipa smanjeno za oko 8%, dok je smanjenje osvjetljenja ostala tri uzorka premašilo 30%. Prema kriterijima za procjenu kvara LED-a, uzorak silikona, uzorak fosfornog silikona i uzorak fosfora nisu uspjeli.
Slika 1 - Krivulja osvjetljenja
2.2 Promjene izgleda
Nakon pokusa promatran je izgled uzoraka. Izgled uzoraka nakon pokusa prikazan je na slici 4.
Slika 1 (s popratnom slikom)
Post-eksperiment
Slika pokazuje različite promjene izgleda u četiri uzorka: uzorak čistog čipa pokazao je male promjene, sa samo malom deformacijom krajnje vanjske leće od epoksidne smole; uzorak silikona pokazao je očitu karbonizaciju i mjehuriće u sredini; uzorak fosfornog silikona pokazao je očite mjehuriće i manje očitu karbonizaciju u sredini; a leća od epoksidne smole fosfornog uzorka pokazala je očitu deformaciju.
2.3 Analiza rezultata
Prije eksperimenta, ispitni uzorci su pregledani i utvrđeno je da na njima nema karbonizacije i mjehurića, a čip i leća bili su čisti i bez stranih tvari. Nakon testa starenja na visokoj-temperaturi na 125 stupnjeva, karbonizacija i mjehurići su se pojavili u uzorku silikona, a leća od epoksidne smole uzorka bez silikona se deformirala. Uzorak čistog čipa, koji nije koristio silikon ili fosfor, pokazao je najmanju promjenu i najmanje slabljenje svjetla. Nakon 120 h starenja, slabljenje svjetla bilo je manje od 10%. Prema kriterijima prosudbe neuspjeha, ova vrsta uzorka još nije pala. Uzorci silikona koji su koristili samo silikon i uzorci fosfora koji su koristili samo fosfor nisu uspjeli nakon približno 36 sati testiranja. Razlika je bila u sljedećem: prije kvara, brzina opadanja osvjetljenja silikonskog uzorka bila je manja nego fosfornog uzorka; međutim, nakon kvara, stopa opadanja osvjetljenja silikonskog uzorka značajno se ubrzala, što je rezultiralo mnogo većim opadanjem osvjetljenja nakon 120 sati u usporedbi s uzorkom fosfora. Uzorci fosfor-silikona koji su koristili i silikon i fosfor nisu uspjeli nakon približno 12 sati, sa smanjenjem osvjetljenja koje je dosegnulo 90% nakon 120 sati. Ukratko, mogu se izvući sljedeći zaključci:
① Čisti uzorci čipova imali su najduži životni vijek. Mogući razlog je taj što su uzorci čipova koristili safirnu podlogu bez silikonskog ili fosfornog punjenja, što znači da nisu sadržavali nikakav materijal za kapsuliranje osim leća od epoksidne smole. Stoga, pod istim vremenskim i temperaturnim uvjetima ispitivanja, uzorci silikona ispunjeni materijalom za kapsuliranje, uzorci fosfora i uzorci fosfor-silikona nisu uspjeli, dok osvijetljenost uzoraka čipova, iako se smanjuje, nije dosegla 30%.
② Silikon i fosfor doprinose ubrzanom opadanju osvjetljenja u modulu. Silikon se pod visokim temperaturama karbonizira, stvarajući plin, zbog čega su u ispitivanim uzorcima vidljivi vidljivi mjehurići. U uzorcima plavog svjetla uočena je zamjetna karbonizacija jer safirna podloga izlaže cijeli čip, čineći karbonizaciju izravno vidljivom. Međutim, u uzorcima bijelog svjetla, fosforni premaz na vanjskom sloju čipa prikriva proces karbonizacije, što rezultira vidljivim mjehurićima i manje očitom karbonizacijom. Nadalje, fosforni premaz može spriječiti disipaciju topline iz LED uzorka, što dovodi do povećanja temperature i smanjenog osvjetljenja. Stoga je smanjenje osvjetljenja u uzorku fosfora znatno veće nego u uzorku čipa.
③ Na 125 stupnjeva, epoksidna smola se širi zbog topline. Kada se ispitivanje zaustavi i uzorci se ohlade na sobnu temperaturu, epoksidna smola se steže zbog pada temperature, uzrokujući deformaciju leće na uklonjenim uzorcima. Deformacija leće smanjuje prijenos svjetla, ali to ne uzrokuje fatalno slabljenje svjetla.
3. Zaključak Uobičajeni materijali za kapsuliranje (kao što su silikon i fosfor) imaju značajan utjecaj na pouzdanost LED modula. Kako bi se istražio utjecaj materijala za kapsuliranje, 125 stupnjeva je odabrano kao temperatura okoline. Metoda online mjerenja korištena je za provođenje ispitivanja starenja na konstantnoj-temperaturi na četiri različita uzorka istovremeno u visoko{5}}komori za ispitivanje temperature. Rezultati pokazuju da pri 125 stupnjeva LED modul bez silikona i fosfora ima najduži životni vijek i visoku pouzdanost. Međutim, karbonizacija silikona i nastali plinovi, kao i fosfor koji sprječava rasipanje topline, ubrzavaju slabljenje osvjetljenja. Istovremena uporaba silikona i fosfora uzrokovat će brzo slabljenje osvjetljenja, što će dovesti do kvara modula.
