Con il continuo miglioramento della tecnologia di produzione dei dispositivi LED, l'efficienza luminosa, la luminosità e la potenza sono state notevolmente migliorate. Tuttavia, l’efficienza di conversione fotoelettrica dei LED è ancora solo del 20% circa, mentre l’energia elettrica rimanente viene convertita in energia termica, provocando un aumento della temperatura dei componenti e una diminuzione dell’efficienza luminosa. Essendo parte integrante del componente, il materiale di incapsulamento è ancora più sensibile alle alte temperature. Pertanto, il guasto causato dal materiale di incapsulamento è uno dei motivi principali che influiscono sulla durata dell'intero modulo LED.
Questo documento si concentra sui moduli LED che utilizzano comuni materiali di incapsulamento in silicone e fosforo. Sono stati selezionati campioni rappresentativi e sottoposti a test di invecchiamento in condizioni di temperatura elevata-. Lo scopo è analizzare il comportamento di rottura dei materiali di incapsulamento e trovare i loro meccanismi di rottura. Misurando l'illuminamento dei campioni online, è stato ottenuto l'impatto della legge di guasto del materiale di incapsulamento sull'affidabilità dei campioni LED in condizioni di temperatura elevata-.
1. Esperimento Essendo un tipico prodotto elettronico ad alta-affidabilità, i LED possono avere una durata di diversi anni a temperatura ambiente. Effettuare test in condizioni convenzionali sarebbe-troppo dispendioso in termini di tempo e denaro. Secondo il modello Arrhenius, la durata di vita dei moduli LED diminuisce all’aumentare della temperatura. Pertanto, l'aumento della temperatura ambiente può accelerare il guasto dei moduli LED. Sulla base dei parametri prestazionali rilevanti dei campioni LED selezionati in questo esperimento e dei risultati dei test precedenti, è stato condotto un test di invecchiamento a-temperatura elevata-temperatura costante a 125 gradi. Le principali manifestazioni di guasto del LED includono: una diminuzione del 30% dell'illuminamento, sfarfallio e guasto completo del LED (ovvero, completo spegnimento). Pertanto, per esplorare il comportamento in caso di guasto dei moduli LED in condizioni di alta-temperatura, è necessario comprendere il modello di variazione dell'illuminamento dei LED nel tempo. I tradizionali metodi di test offline richiedono la rimozione del campione per il test, il che interrompe l'esperimento e influisce in modo significativo sull'accuratezza dei dati. Pertanto, questo articolo adotta un metodo di misurazione online per monitorare la variazione dell'illuminamento nel tempo in tempo reale.
1.1 Procedura sperimentale
La procedura sperimentale è mostrata nella Figura 1. Il campione viene posizionato nella camera di prova per il test all'accensione. Il suo segnale di illuminamento viene trasmesso ad un misuratore di illuminamento tramite fibra ottica. L'illuminamento converte il segnale luminoso in un segnale elettrico e lo trasmette al dispositivo di acquisizione. I dati acquisiti vengono raccolti in un computer utilizzando un software di campionamento. Questo sistema è in grado di rilevare variazioni nell'illuminamento dei moduli in tempo reale senza interrompere l'esperimento; pertanto, l'accuratezza dei dati sperimentali è superiore a quella dei metodi di test interrotti.
Figura 1 - Studio sui guasti dei materiali di imballaggio dei moduli LED in condizioni di invecchiamento a-temperatura elevata
L'apparecchiatura di acquisizione dati includeva un misuratore di illuminamento multi-canale completamente digitale e software di supporto, fibra ottica e morsetti per fibra ottica. L'alimentatore era una fonte di corrente costante, che forniva 350 mA di corrente ai campioni LED. La camera di prova di invecchiamento ad alta-temperatura utilizzata era la camera di prova di ciclismo ad alta e bassa temperatura RK-TH-408UF di Ruikai Instruments, con la temperatura controllata a 125 gradi.
1.2 Campioni di prova
C'erano quattro tipi di campioni di prova, come mostrato nella Figura 2. Da sinistra a destra, sono: un campione di chip LED blu puro (di seguito denominato campione di chip puro), un chip LED blu con silicone (di seguito denominato campione di silicone), un campione di LED bianco con fosforo e silicone (di seguito denominato campione di silicone fosforico) e un campione di LED bianco con fosforo (di seguito denominato campione di fosforo). Questi campioni sono tutti moduli LED con zaffiro come substrato, incapsulati su un substrato conduttivo utilizzando silicone o fosforo.
Figura 1 - Studio sui guasti dei materiali di imballaggio dei moduli LED in condizioni di invecchiamento ad alta temperatura
2. Risultati e discussione
2.1 Monitoraggio dell'illuminamento
Durante l'esperimento non sono stati osservati LED sfarfallanti o spenti. Pertanto, una diminuzione dell'illuminamento superiore al 30% in un campione di LED è stata considerata un guasto. Quattro tipi di campioni sono stati testati simultaneamente a 125 gradi, con cinque campioni selezionati per ciascun tipo. È stata calcolata la media dell'illuminamento dei cinque campioni per ciascun tipo e quindi normalizzato, come mostrato nella Figura 3. La figura mostra che dopo circa 120 ore di test, l'illuminamento del campione di chip puro è diminuito di circa l'8%, mentre la diminuzione dell'illuminamento degli altri tre campioni ha superato il 30%. Secondo i criteri per giudicare il guasto del LED, il campione di silicone, il campione di silicone fosforico e il campione di fosforo si sono guastati.
Figura 1 - Curva di illuminazione
2.2 Modifiche all'aspetto
L'aspetto dei campioni è stato osservato dopo l'esperimento. L'aspetto dei campioni dopo l'esperimento è mostrato nella Figura 4.
Figura 1 (con immagine di accompagnamento)
Post-esperimento
L'immagine mostra diversi cambiamenti di aspetto nei quattro campioni: il campione di chip puro ha mostrato pochi cambiamenti, con solo una leggera deformazione della lente in resina epossidica più esterna; il campione di silicone presentava evidente carbonizzazione e bolle al centro; il campione di silicone fosforoso mostrava bolle evidenti e qualche carbonizzazione meno evidente al centro; e la lente in resina epossidica del campione di fosforo mostrava evidenti deformazioni.
2.3 Analisi dei risultati
Prima dell'esperimento, i campioni di prova sono stati ispezionati e trovati privi di carbonizzazione e bolle, e il chip e la lente erano puliti e privi di corpi estranei. Dopo un test di invecchiamento ad alta-temperatura a 125 gradi, nel campione di silicone sono apparse carbonizzazione e bolle e la lente in resina epossidica del campione senza silicone si è deformata. Il campione di chip puro, che non utilizzava silicone o fosforo, ha mostrato il cambiamento minimo e la minima attenuazione della luce. Dopo 120 ore di invecchiamento, l'attenuazione della luce era inferiore al 10%. Secondo i criteri di giudizio di fallimento, questo tipo di campione non ha ancora fallito. I campioni di silicone che utilizzavano solo silicone e i campioni di fosforo che utilizzavano solo fosforo non hanno funzionato dopo circa 36 ore di test. La differenza sta nel seguente: prima del guasto, il tasso di decadimento dell'illuminamento del campione di silicone era inferiore a quello del campione di fosforo; tuttavia, dopo il guasto, il tasso di decadimento dell'illuminamento del campione di silicone ha subito un'accelerazione significativa, determinando un decadimento dell'illuminamento molto maggiore dopo 120 ore rispetto al campione di fosforo. I campioni di silicone al fosforo-utilizzando sia silicone che fosforo si sono guastati dopo circa 12 ore, con un decadimento dell'illuminamento che ha raggiunto il 90% dopo 120 ore. In sintesi si possono trarre le seguenti conclusioni:
① I campioni di chip puri hanno avuto la durata di vita più lunga. Una possibile ragione è che i campioni di chip utilizzavano un substrato di zaffiro senza riempimento di silicone o fosforo, il che significa che non contenevano materiale di incapsulamento diverso dalle lenti in resina epossidica. Pertanto, alle stesse condizioni di tempo e temperatura del test, i campioni di silicone riempiti con materiale di incapsulamento, campioni di fosforo e campioni di silicone fosfo- hanno tutti fallito, mentre l'illuminamento dei campioni di chip, sebbene diminuito, non ha raggiunto il 30%.
② Silicone e fosforo contribuiscono ad accelerare il decadimento dell'illuminamento nel modulo. Il silicone carbonizza ad alte temperature, producendo gas, motivo per cui nei campioni testati sono visibili bolle evidenti. Nei campioni a luce blu si osserva una notevole carbonizzazione perché il substrato di zaffiro espone l'intero chip, rendendo la carbonizzazione direttamente osservabile. Tuttavia, nei campioni a luce bianca, un rivestimento di fosforo sullo strato esterno del chip oscura il processo di carbonizzazione, provocando bolle evidenti e una carbonizzazione meno evidente. Inoltre, il rivestimento di fosforo può ostacolare la dissipazione del calore dal campione LED, portando ad un aumento della temperatura e ad una diminuzione dell’illuminamento. Pertanto, la diminuzione dell'illuminamento nel campione di fosforo è significativamente maggiore di quella nel campione di chip.
③ A 125 gradi, la resina epossidica si espande a causa del calore. Quando il test viene interrotto e i campioni vengono raffreddati a temperatura ambiente, la resina epossidica si contrae a causa del calo di temperatura, provocando la deformazione delle lenti sui campioni rimossi. La deformazione della lente riduce la trasmissione della luce, ma ciò non causa un'attenuazione della luce fatale.
3. Conclusione I comuni materiali di incapsulamento (come silicone e fosforo) hanno un impatto significativo sull'affidabilità dei moduli LED. Per studiare l'influenza dei materiali di incapsulamento, è stata scelta 125 gradi come temperatura ambiente. È stato utilizzato un metodo di misurazione online per condurre test di invecchiamento a temperatura-costante su quattro diversi campioni contemporaneamente in una camera di prova ad alta-temperatura. I risultati mostrano che a 125 gradi, il modulo LED senza silicone e fosforo ha la durata di vita più lunga e un'elevata affidabilità. Tuttavia, la carbonizzazione del silicone e dei gas risultanti, nonché il fosforo che ostacola la dissipazione del calore, accelerano il decadimento dell'illuminamento. L'utilizzo simultaneo di silicone e fosforo causerà un rapido decadimento dell'illuminamento, con conseguente guasto del modulo.
