Uz kontinuirano poboljšanje tehnologije proizvodnje LED uređaja, njegova svjetlosna efikasnost, svjetlina i snaga su značajno poboljšani. Međutim, efikasnost fotoelektrične konverzije LED dioda je i dalje samo oko 20%, a preostala električna energija se pretvara u toplotnu energiju, što uzrokuje porast temperature komponente i smanjenje svjetlosne efikasnosti. Kao sastavni dio komponente, materijal za kapsuliranje je još osjetljiviji na visoke temperature. Stoga je kvar uzrokovan materijalom za enkapsulaciju jedan od glavnih razloga koji utječu na vijek trajanja cijelog LED modula.
Ovaj rad se fokusira na LED module koji koriste uobičajene silikonske i fosforne inkapsulacijske materijale. Odabrani su reprezentativni uzorci i podvrgnuti testovima starenja u uslovima visoke{1}}temperature. Cilj je analizirati ponašanje kvarova materijala za enkapsulaciju i pronaći njihove mehanizme kvara. Mjerenjem osvjetljenja uzoraka na mreži, dobijen je uticaj zakona kvara materijala za enkapsulaciju na pouzdanost uzoraka LED dioda u uslovima visoke{4}}temperature.
1. Eksperiment Kao tipičan visoko{1}}pouzdani elektronski proizvod, LED diode mogu imati vijek trajanja od nekoliko godina na sobnoj temperaturi. Testiranje pod konvencionalnim uslovima bi bilo-suviše dugotrajno i skupo. Prema Arrhenius modelu, životni vijek LED modula opada s povećanjem temperature. Stoga povećanje temperature okoline može ubrzati kvar LED modula. Na osnovu relevantnih parametara performansi uzoraka LED dioda odabranih u ovom eksperimentu i rezultata prethodnih testova, sproveden je test starenja na konstantnoj{7}}temperaturnoj visokoj{8}}temperaturi na 125 stepeni. 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 LED modula pri kvaru u uslovima visoke{15}temperature, potrebno je razumjeti obrazac promjene osvjetljenja LED-a tokom vremena. Tradicionalne metode offline testiranja zahtijevaju uklanjanje uzorka za testiranje, što prekida eksperiment i značajno utiče na točnost podataka. Stoga, ovaj rad usvaja online metodu mjerenja za praćenje promjene osvjetljenja tokom vremena u realnom vremenu.
1.1 Eksperimentalni postupak
Eksperimentalna procedura je prikazana na slici 1. Uzorak se stavlja u ispitnu komoru za testiranje -na napajanje. Njegov signal osvjetljenja se prenosi do mjerača osvjetljenja putem optičkog vlakna. Mjerač osvijetljenosti pretvara svjetlosni signal u električni signal i prenosi ga na uređaj za prikupljanje podataka. Prikupljeni podaci se prikupljaju na računaru pomoću softvera za uzorkovanje. Ovaj sistem može detektovati promene u osvetljenosti modula u realnom vremenu bez prekidanja eksperimenta; stoga je tačnost eksperimentalnih podataka veća nego kod prekinutih metoda ispitivanja.
Slika 1 - Studija o kvaru materijala za pakovanje LED modula pod visokim-uslovima starenja
Oprema za prikupljanje podataka uključivala je potpuno digitalni više{0}}kanalni mjerač osvjetljenja i prateći softver, optičko vlakno i kleme za optička vlakna. Napajanje je bio izvor konstantne struje, osiguravajući 350mA struje za LED uzorke. Korištena je visokotemperaturna komora za ispitivanje starenja na visokim i niskim temperaturama Ruikai Instruments RK-TH-408UF, sa temperaturom kontroliranom na 125 stepeni.
1.2 Test uzorci
Postojala su četiri tipa testnih uzoraka, kao što je prikazano na slici 2. S lijeva na desno, to su: uzorak čistog čipa sa plavim LED diodama (u daljnjem tekstu uzorak čistog čipa), plavi LED čip sa silikonom (u daljnjem tekstu uzorak silikona), bijeli LED uzorak sa fosforom i silikonom (u daljem tekstu uzorak silikona), i uzorak bijelog silikona. sa fosforom (u daljem tekstu uzorak fosfora). Svi ovi uzorci su LED moduli sa safirom kao podlogom, inkapsuliranim na provodljivu podlogu pomoću silikona ili fosfora.
Slika 1 - Studija o kvaru materijala za pakovanje LED modula u uslovima starenja na visokim temperaturama
2. Rezultati i diskusija
2.1 Nadgledanje osvjetljenja
Tokom eksperimenta nije primećeno treperenje ili mrtve LED diode. Stoga se smanjenje osvjetljenja za više od 30% u uzorku LED diode smatralo greškom. Četiri tipa uzoraka testirana su istovremeno na 125 stepeni, sa pet uzoraka odabrano za svaki tip. Osvetljenost pet uzoraka za svaki tip je usrednjena, a zatim normalizovana, kao što je prikazano na slici 3. Slika pokazuje da je nakon približno 120 sati testiranja, osvetljenost čistog uzorka čipa smanjena za oko 8%, dok je smanjenje osvetljenosti ostala tri uzorka premašilo 30%. Prema kriterijima za procjenu kvara LED-a, uzorak silikona, uzorak fosfornog silikona i uzorak fosfora nisu uspjeli.
Slika 1 - Kriva osvjetljenja
2.2 Promjene izgleda
Izgled uzoraka je uočen nakon eksperimenta. Izgled uzoraka nakon eksperimenta prikazan je na slici 4.
Slika 1 (sa pratećom slikom)
Post{0}}Eksperiment
Slika pokazuje različite promjene izgleda u četiri uzorka: uzorak čistog čipa pokazao je male promjene, sa samo neznatnom deformacijom najudaljenijeg sočiva od epoksidne smole; uzorak silikona pokazao je očiglednu karbonizaciju i mehuriće u sredini; uzorak fosfornog silikona pokazao je očigledne mehuriće i nešto manje očiglednu karbonizaciju u sredini; a sočivo od epoksidne smole uzorka fosfora pokazalo je očiglednu deformaciju.
2.3 Analiza rezultata
Prije eksperimenta, ispitani uzorci su pregledani i utvrđeno je da nema karbonizacije i mjehurića, a čip i sočivo su čisti i bez stranih tvari. Nakon -testa starenja na visokoj temperaturi na 125 stepeni, pojavila se karbonizacija i mjehurići u uzorku silikona, a sočivo od epoksidne smole uzorka bez silikona se deformisalo. Uzorak čistog čipa, koji nije koristio silikon ili fosfor, pokazao je najmanje promjene i najmanje slabljenje svjetlosti. Nakon 120 h starenja, slabljenje svjetlosti je bilo manje od 10%. Prema kriterijima procjene neuspjeha, ova vrsta uzorka još nije uspjela. Uzorci silikona koji koriste samo silikon i uzorci fosfora koji koriste samo fosfor nisu uspjeli nakon približno 36 sati testiranja. Razlika je bila u sljedećem: prije kvara, stopa opadanja osvjetljenja silikonskog uzorka bila je niža od one uzorka fosfora; međutim, nakon kvara, stopa opadanja osvjetljenja silikonskog uzorka se značajno ubrzala, što je rezultiralo mnogo većim opadanjem osvjetljenja nakon 120 sati u poređenju sa uzorkom fosfora. Fosfor{13}}uzorci silikona koji su koristili i silikon i fosfor nisu uspjeli nakon otprilike 12 sati, sa smanjenjem osvjetljenja koji je dostigao 90% nakon 120 sati. Ukratko, mogu se izvući sljedeći zaključci:
① Uzorci čistog čipa imali su najduži vijek trajanja. Mogući razlog je taj što su uzorci čipa koristili safirsku podlogu bez silikonskog ili fosfornog punjenja, što znači da nisu sadržavali nikakav materijal za enkapsulaciju osim sočiva od epoksidne smole. Dakle, pod istim vremenskim i temperaturnim uslovima, svi uzorci silikona punjeni materijalom za kapsuliranje, uzorci fosfora i fosfor-silikonski uzorci nisu uspjeli, dok osvijetljenost uzoraka čipa, iako se smanjivala, nije dostigla 30%.
② Silikon i fosfor doprinose ubrzanom opadanju osvjetljenja u modulu. Silikon se pod visokim temperaturama karbonizira, stvarajući plin, zbog čega su vidljivi uočljivi mjehurići u testiranim uzorcima. U uzorcima plavog svjetla, primjetna je karbonizacija jer safirna podloga otkriva cijeli čip, čineći karbonizaciju direktno vidljivom. Međutim, u uzorcima bijelog svjetla, fosforni premaz na vanjskom sloju čipa prikriva proces karbonizacije, što rezultira primjetnim mjehurićima i manje očitom karbonizacijom. Nadalje, fosforni premaz može ometati disipaciju topline iz uzorka LED diode, što dovodi do povećanja temperature i smanjene osvjetljenja. Stoga je smanjenje osvjetljenja u uzorku fosfora značajno veće nego u uzorku čipa.
③ Na 125 stepeni, epoksidna smola se širi zbog toplote. Kada se test zaustavi i uzorci se ohlade na sobnu temperaturu, epoksidna smola se skuplja zbog pada temperature, uzrokujući deformaciju sočiva na uklonjenim uzorcima. Deformacija sočiva smanjuje prijenos svjetlosti, ali to ne uzrokuje fatalno slabljenje svjetlosti.
3. Zaključak Uobičajeni materijali za inkapsulaciju (kao što su silikon i fosfor) imaju značajan uticaj na pouzdanost LED modula. Da bi se ispitao uticaj materijala za inkapsulaciju, kao temperatura okoline odabrano je 125 stepeni. Metoda mjerenja na mreži je korištena za provođenje testova starenja na konstantnoj-temperaturi na četiri različita uzorka istovremeno u visokotemperaturnoj ispitnoj komori{5}. Rezultati pokazuju da na 125 stepeni LED modul bez silikona i fosfora ima najduži vek trajanja i visoku pouzdanost. Međutim, karbonizacija silikona i nastalih plinova, kao i fosfor koji ometa rasipanje topline, ubrzavaju opadanje osvjetljenja. Upotreba i silikona i fosfora istovremeno će uzrokovati brzo opadanje osvjetljenja, što će dovesti do kvara modula.
