Com a melhoria contínua da tecnologia de fabricação de dispositivos LED, sua eficiência luminosa, brilho e potência foram significativamente melhorados. No entanto, a eficiência de conversão fotoelétrica dos LEDs ainda é de apenas cerca de 20%, sendo a energia elétrica restante convertida em energia térmica, fazendo com que a temperatura dos componentes aumente e a eficiência luminosa diminua. Como parte integrante do componente, o material de encapsulamento é ainda mais sensível a altas temperaturas. Portanto, a falha causada pelo material de encapsulamento é um dos principais motivos que afetam a vida útil de todo o módulo LED.
Este artigo se concentra em módulos de LED usando materiais comuns de encapsulamento de silicone e fósforo. Amostras representativas foram selecionadas e submetidas a testes de envelhecimento sob condições-de alta temperatura. O objetivo é analisar o comportamento de falha dos materiais de encapsulamento e encontrar seus mecanismos de falha. Ao medir a iluminância das amostras on-line, foi obtido o impacto da lei de falha do material de encapsulamento na confiabilidade das amostras de LED sob condições-de alta temperatura.
1. Experimento Como um típico produto eletrônico-de alta confiabilidade, os LEDs podem ter uma vida útil de vários anos em temperatura ambiente. Testar em condições convencionais seria muito demorado-e caro. De acordo com o modelo Arrhenius, a vida útil dos módulos LED diminui com o aumento da temperatura. Portanto, aumentar a temperatura ambiente pode acelerar a falha dos módulos LED. Com base nos parâmetros de desempenho relevantes das amostras de LED selecionadas neste experimento e nos resultados de testes anteriores, um teste de envelhecimento em-alta temperatura-constante foi realizado a 125 graus. As principais manifestações de falha do LED incluem: diminuição de 30% na iluminância, cintilação e falha completa do LED (ou seja, extinção completa). Portanto, para explorar o comportamento de falha dos módulos de LED sob condições de alta-temperatura, é necessário entender o padrão de mudança de iluminância do LED ao longo do tempo. Os métodos tradicionais de teste off-line exigem a remoção da amostra para teste, o que interrompe o experimento e afeta significativamente a precisão dos dados. Portanto, este artigo adota um método de medição online para monitorar a mudança de iluminância ao longo do tempo em tempo real.
1.1 Procedimento Experimental
O procedimento experimental é mostrado na Figura 1. A amostra é colocada na câmara de teste para teste-ligado. Seu sinal de iluminância é transmitido a um medidor de iluminância via fibra óptica. O medidor de iluminância converte o sinal de luz em um sinal elétrico e o transmite para o dispositivo de aquisição. Os dados adquiridos são coletados em um computador por meio de software de amostragem. Este sistema pode detectar alterações na iluminância do módulo em tempo real sem interromper o experimento; portanto, a precisão dos dados experimentais é maior do que a dos métodos de teste interrompidos.
Figura 1 - Estudo sobre falha de materiais de embalagem de módulos de LED sob condições de envelhecimento em alta-temperatura
O equipamento de aquisição de dados incluía um medidor de iluminância multi-canal totalmente digital e software de suporte, fibra óptica e pinças de fibra óptica. A fonte de alimentação era uma fonte de corrente constante, fornecendo 350mA de corrente para as amostras de LED. A câmara de teste de envelhecimento em alta-temperatura usada foi a câmara de teste de ciclo de alta e baixa temperatura RK-TH-408UF da Ruikai Instruments, com a temperatura controlada em 125 graus.
1.2 Amostras de Teste
Havia quatro tipos de amostras de teste, conforme mostrado na Figura 2. Da esquerda para a direita, são: uma amostra de chip puro de LED azul (doravante denominada amostra de chip puro), um chip de LED azul com silicone (doravante denominada amostra de silicone), uma amostra de LED branco com fósforo e silicone (doravante denominada amostra de fósforo e silicone) e uma amostra de LED branco com fósforo (doravante denominada amostra de fósforo). Essas amostras são todas módulos de LED com safira como substrato, encapsulados em um substrato condutor usando silicone ou fósforo.
Figura 1 - Estudo sobre falha de materiais de embalagem de módulos de LED sob condições de envelhecimento em alta temperatura
2. Resultados e Discussão
2.1 Monitoramento de Iluminância
Nenhum LED piscante ou morto foi observado durante o experimento. Portanto, uma diminuição de iluminância superior a 30% em uma amostra de LED foi considerada uma falha. Quatro tipos de amostras foram testados simultaneamente a 125 graus, com cinco amostras selecionadas para cada tipo. A iluminância das cinco amostras para cada tipo foi calculada e depois normalizada, conforme mostrado na Figura 3. A figura mostra que após aproximadamente 120 horas de teste, a iluminância da amostra de chip puro diminuiu cerca de 8%, enquanto a diminuição da iluminância das outras três amostras excedeu 30%. De acordo com os critérios para julgar a falha do LED, a amostra de silicone, a amostra de fósforo de silicone e a amostra de fósforo falharam.
Figura 1 - Curva de Iluminação
2.2 Mudanças na aparência
A aparência das amostras foi observada após o experimento. A aparência das amostras após o experimento é mostrada na Figura 4.
Figura 1 (com imagem anexa)
Pós-experiência
A imagem mostra diferentes mudanças de aparência nas quatro amostras: a amostra de chip puro apresentou poucas alterações, com apenas uma ligeira deformação da lente externa de resina epóxi; a amostra de silicone apresentou carbonização óbvia e bolhas no meio; a amostra de silicone fosforoso mostrou bolhas óbvias e alguma carbonização menos óbvia no meio; e a lente de resina epóxi da amostra de fósforo apresentou deformação óbvia.
2.3 Análise de Resultados
Antes do experimento, as amostras de teste foram inspecionadas e consideradas livres de carbonização e bolhas, e o chip e a lente estavam limpos e livres de corpos estranhos. Após um teste de envelhecimento em alta-temperatura de 125 graus, carbonização e bolhas apareceram na amostra de silicone, e a lente de resina epóxi da amostra sem silicone foi deformada. A amostra de chip puro, que não utilizou silicone ou fósforo, apresentou a menor alteração e a menor atenuação de luz. Após 120 horas de envelhecimento, a atenuação da luz foi inferior a 10%. De acordo com os critérios de julgamento de falha, este tipo de amostra ainda não falhou. Amostras de silicone usando apenas silicone e amostras de fósforo usando apenas fósforo falharam após aproximadamente 36 horas de teste. A diferença estava no seguinte: antes da falha, a taxa de decaimento da iluminância da amostra de silicone era inferior à da amostra de fósforo; entretanto, após a falha, a taxa de decaimento da iluminância da amostra de silicone acelerou significativamente, resultando em um decaimento de iluminância muito maior após 120 horas em comparação com a amostra de fósforo. Amostras de silicone-de fósforo usando silicone e fósforo falharam após aproximadamente 12 horas, com uma queda de iluminância atingindo 90% após 120 horas. Em resumo, as seguintes conclusões podem ser tiradas:
① As amostras de chips puros tiveram a vida útil mais longa. Uma possível razão é que as amostras de chips usavam um substrato de safira sem enchimento de silicone ou fósforo, o que significa que não continham nenhum material de encapsulamento além de lentes de resina epóxi. Portanto, sob as mesmas condições de tempo e temperatura de teste, as amostras de silicone preenchidas com material de encapsulamento, as amostras de fósforo e as amostras de fósforo-de silicone falharam, enquanto a iluminância das amostras de chip, embora diminuindo, não atingiu 30%.
② Silicone e fósforo contribuem para a deterioração acelerada da iluminância no módulo. O silicone carboniza sob altas temperaturas, produzindo gás, razão pela qual bolhas perceptíveis são visíveis nas amostras testadas. Nas amostras de luz azul, observa-se carbonização perceptível porque o substrato de safira expõe todo o chip, tornando a carbonização diretamente observável. No entanto, nas amostras de luz branca, um revestimento de fósforo na camada externa do chip obscurece o processo de carbonização, resultando em bolhas perceptíveis e numa carbonização menos óbvia. Além disso, o revestimento de fósforo pode dificultar a dissipação de calor da amostra de LED, levando ao aumento da temperatura e à diminuição da iluminância. Portanto, a diminuição da iluminância na amostra de fósforo é significativamente maior do que na amostra de chip.
③ A 125 graus, a resina epóxi se expande devido ao calor. Quando o teste é interrompido e as amostras são resfriadas à temperatura ambiente, a resina epóxi se contrai devido à queda de temperatura, causando deformação das lentes nas amostras removidas. A deformação da lente reduz a transmissão de luz, mas não causa atenuação fatal da luz.
3. Conclusão Os materiais de encapsulamento comuns (como silicone e fósforo) têm um impacto significativo na confiabilidade dos módulos LED. Para investigar a influência dos materiais de encapsulamento, 125 graus foi selecionado como temperatura ambiente. Um método de medição on-line foi usado para realizar testes de envelhecimento em-temperatura constante em quatro amostras diferentes simultaneamente em uma câmara de teste-de alta temperatura. Os resultados mostram que a 125 graus, o módulo LED sem silicone e fósforo tem a vida útil mais longa e alta confiabilidade. Porém, a carbonização do silicone e dos gases resultantes, bem como o fósforo que dificulta a dissipação de calor, aceleram a deterioração da iluminância. Usar silicone e fósforo simultaneamente causará rápida deterioração da iluminância, levando à falha do módulo.
