LED cihaz üretim teknolojisinin sürekli gelişmesiyle birlikte ışık verimliliği, parlaklığı ve gücü önemli ölçüde iyileştirildi. Bununla birlikte, LED'lerin fotoelektrik dönüşüm verimliliği hala yalnızca %20 civarındadır ve kalan elektrik enerjisi ısı enerjisine dönüştürülerek bileşen sıcaklığının artmasına ve ışık veriminin düşmesine neden olur. Bileşenin ayrılmaz bir parçası olan kapsülleme malzemesi, yüksek sıcaklıklara karşı daha da hassastır. Bu nedenle kapsülleme malzemesinden kaynaklanan arıza, tüm LED modülün ömrünü etkileyen ana nedenlerden biridir.
Bu makale, yaygın silikon ve fosfor kapsülleme malzemeleri kullanan LED modüllerine odaklanmaktadır. Temsili numuneler seçildi ve yüksek-sıcaklık koşulları altında yaşlandırma testlerine tabi tutuldu. Amaç, kapsülleme malzemelerinin arıza davranışını analiz etmek ve arıza mekanizmalarını bulmaktır. Numunelerin aydınlık düzeyi çevrimiçi olarak ölçülerek, kapsülleme malzemesinin arıza yasasının, yüksek-sıcaklık koşulları altında LED numunelerinin güvenilirliği üzerindeki etkisi elde edildi.
1. Deney Tipik bir yüksek-güvenilirliğe sahip elektronik ürün olarak LED'lerin oda sıcaklığında birkaç yıllık bir ömrü olabilir. Geleneksel koşullar altında test yapmak çok zaman-alıcı ve maliyetli olacaktır. Arrhenius modeline göre LED modüllerin ömrü artan sıcaklıkla azalmaktadır. Bu nedenle ortam sıcaklığının arttırılması LED modüllerin arızasını hızlandırabilir. Bu deneyde seçilen LED numunelerinin ilgili performans parametrelerine ve önceki testlerin sonuçlarına dayanarak, 125 derecede sabit-sıcaklıkta yüksek-sıcaklıkta eskitme testi gerçekleştirildi. LED arızasının ana belirtileri şunlardır: aydınlatmada %30 azalma, titreme ve LED'in tamamen arızalanması (yani tamamen sönmesi). Bu nedenle, LED modüllerinin yüksek sıcaklık koşullarındaki arıza davranışını araştırmak için{15}}LED aydınlatmasının zaman içindeki değişim modelini anlamak gerekir. Geleneksel çevrimdışı test yöntemleri, test için numunenin çıkarılmasını gerektirir; bu da deneyi kesintiye uğratır ve verilerin doğruluğunu önemli ölçüde etkiler. Bu nedenle bu makale, aydınlatmanın zaman içindeki değişimini gerçek zamanlı olarak izlemek için çevrimiçi bir ölçüm yöntemini benimser.
1.1 Deneysel Prosedür
Deney prosedürü Şekil 1'de gösterilmektedir. Örnek, açılış testi için test odasına-yerleştirilir. Aydınlık sinyali, optik fiber aracılığıyla bir aydınlık ölçere iletilir. Aydınlık ölçer, ışık sinyalini elektrik sinyaline dönüştürür ve bunu toplama cihazına iletir. Elde edilen veriler örnekleme yazılımı kullanılarak bir bilgisayarda toplanır. Bu sistem, deneyi kesintiye uğratmadan modül aydınlatmasındaki değişiklikleri gerçek zamanlı olarak tespit edebilir; bu nedenle deneysel verilerin doğruluğu kesintili test yöntemlerine göre daha yüksektir.
Şekil 1 - LED Modül Ambalaj Malzemelerinin Yüksek- Sıcaklıktaki Eskime Koşullarında Arızalanması Üzerine Çalışma
Veri toplama ekipmanı, tamamen dijital çok{0}kanallı bir aydınlatma ölçeri ve destekleyici yazılımı, optik fiberi ve fiber optik kelepçeleri içeriyordu. Güç kaynağı, LED örneklerine 350 mA akım sağlayan sabit bir akım kaynağıydı. Kullanılan yüksek-sıcaklıktaki eskitme test odası, sıcaklığın 125 derecede kontrol edildiği Ruikai Instruments RK-TH-408UF yüksek ve düşük sıcaklık döngü test odasıydı.
1.2 Test Örnekleri
Şekil 2'de gösterildiği gibi dört tip test numunesi vardır. Soldan sağa bunlar: mavi LED saf çip numunesi (bundan sonra saf çip numunesi olarak anılacaktır), silikonlu mavi LED çipi (bundan sonra silikon numunesi olarak anılacaktır), fosfor ve silikonlu beyaz LED numunesi (bundan sonra fosfor silikon numunesi olarak anılacaktır) ve fosforlu beyaz LED numunesi (bundan sonra fosfor numunesi olarak anılacaktır). Bu numunelerin tümü, silikon veya fosfor kullanılarak iletken bir alt tabaka üzerine kapsüllenmiş, alt tabaka olarak safir içeren LED modülleridir.
Şekil 1 - Yüksek Sıcaklık Yaşlandırma Koşullarında LED Modül Ambalaj Malzemelerinin Arızası Üzerine Çalışma
2. Sonuçlar ve Tartışma
2.1 Aydınlık İzleme
Deney sırasında titreyen veya ölü LED'ler gözlemlenmedi. Bu nedenle, bir LED örneğinde %30'dan fazla aydınlatma azalması bir arıza olarak değerlendirildi. Dört tip numune aynı anda 125 derecede test edildi ve her tip için beş numune seçildi. Her tür için beş örneğin aydınlatmasının ortalaması alındı ve Şekil 3'te gösterildiği gibi normalleştirildi. Şekil, yaklaşık 120 saatlik testten sonra saf çip örneğinin aydınlatmasının yaklaşık %8 oranında azaldığını, diğer üç numunenin ise aydınlatma azalmasının %30'u aştığını göstermektedir. LED arızasını değerlendirme kriterlerine göre silikon numunesi, fosfor silikon numunesi ve fosfor numunesi başarısız oldu.
Şekil 1 - Aydınlatma Eğrisi
2.2 Görünüm Değişiklikleri
Deney sonrasında numunelerin görünümü gözlemlendi. Numunelerin deney sonrası görünümü Şekil 4'te gösterilmektedir.
Şekil 1 (beraberindeki görselle birlikte)
-Deneme Yayınla
Görüntü, dört numunede farklı görünüm değişiklikleri göstermektedir: saf çip numunesi, en dıştaki epoksi reçine merceğinde yalnızca hafif bir deformasyonla çok az değişiklik göstermiştir; silikon numunesinin ortasında belirgin karbonizasyon ve kabarcıklar görüldü; fosfor silikon numunesi belirgin kabarcıklar ve ortada daha az belirgin karbonizasyon gösterdi; ve fosfor numunesinin epoksi reçine merceği bariz deformasyon gösterdi.
2.3 Sonuç Analizi
Deneyden önce test numuneleri incelendi ve karbonizasyon ve kabarcık içermediği, çip ve merceğin temiz ve yabancı madde içermediği görüldü. 125 derecede yüksek-sıcaklıkta yaşlandırma testinden sonra, silikon numunesinde karbonizasyon ve kabarcıklar ortaya çıktı ve silikonsuz numunenin epoksi reçine merceği deforme oldu. Silikon veya fosfor kullanılmayan saf çip numunesi en az değişimi ve en az ışık zayıflamasını gösterdi. 120 saatlik eskitme sonrasında ışık zayıflaması %10'dan azdı. Başarısızlık değerlendirme kriterlerine göre bu tür numuneler henüz başarısız olmamıştır. Yalnızca silikon kullanan silikon numuneleri ve yalnızca fosfor kullanan fosfor numuneleri, yaklaşık 36 saatlik testten sonra başarısız oldu. Aradaki fark şuydu: başarısızlıktan önce, silikon numunesinin aydınlatma bozulma hızı, fosfor numunesininkinden daha düşüktü; ancak başarısızlıktan sonra silikon numunesinin aydınlatma kaybı oranı önemli ölçüde hızlandı ve bu da fosfor numunesine kıyasla 120 saat sonra çok daha büyük bir aydınlatma azalmasıyla sonuçlandı. Hem silikon hem de fosfor kullanan fosfor-silikon numuneleri yaklaşık 12 saat sonra başarısız oldu ve 120 saat sonra aydınlatma kaybı %90'a ulaştı. Özetle aşağıdaki sonuçları çıkarmak mümkündür:
① Saf çip numuneleri en uzun ömre sahiptir. Olası bir neden, çip örneklerinin silikon veya fosfor dolgusu olmayan bir safir alt tabaka kullanmasıdır; bu da bunların epoksi reçine mercekleri dışında hiçbir kapsülleme malzemesi içermediği anlamına gelir. Bu nedenle, aynı test süresi ve sıcaklık koşulları altında kapsülleme malzemesiyle doldurulmuş silikon numuneleri, fosfor numuneleri ve fosfor-silikon numunelerinin tümü başarısız olurken, çip numunelerinin aydınlatması azalsa da %30'a ulaşmadı.
② Silikon ve fosfor, modüldeki aydınlatma azalmasının hızlanmasına katkıda bulunur. Silikon yüksek sıcaklıklarda karbonlaşarak gaz üretir, bu nedenle test edilen numunelerde gözle görülür kabarcıklar görülür. Mavi ışık örneklerinde, safir substratın tüm çipi açığa çıkarması ve karbonizasyonun doğrudan gözlemlenebilir olmasını sağlaması nedeniyle gözle görülür karbonizasyon gözlemlenir. Ancak beyaz ışık örneklerinde çipin dış katmanındaki fosfor kaplama, karbonizasyon sürecini engelliyor, bu da fark edilebilir kabarcıklara ve daha az belirgin karbonizasyona neden oluyor. Ayrıca fosfor kaplama, LED numunesinden ısı dağılımını engelleyerek sıcaklığın artmasına ve aydınlatmanın azalmasına neden olabilir. Bu nedenle fosfor örneğindeki parlaklık azalması, çip örneğindekinden önemli ölçüde daha fazladır.
③ 125 derecede epoksi reçine ısı nedeniyle genleşir. Test durdurulup numuneler oda sıcaklığına soğutulduğunda, sıcaklık düşüşü nedeniyle epoksi reçine büzülür ve çıkarılan numunelerde mercek deformasyonuna neden olur. Mercek deformasyonu ışık iletimini azaltır ancak bu ölümcül ışık zayıflamasına neden olmaz.
3. Sonuç Yaygın kapsülleme malzemeleri (silikon ve fosfor gibi), LED modüllerinin güvenilirliği üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Kapsülleme malzemelerinin etkisini araştırmak için ortam sıcaklığı olarak 125 derece seçilmiştir. Yüksek sıcaklıklı bir test odasında aynı anda dört farklı numune üzerinde sabit-sıcaklıklı yaşlandırma testlerini gerçekleştirmek için çevrimiçi bir ölçüm yöntemi kullanıldı. Sonuçlar, 125 derecede silikon ve fosfor içermeyen LED modülünün en uzun kullanım ömrüne ve yüksek güvenilirliğe sahip olduğunu göstermektedir. Ancak silikonun karbonizasyonu ve ortaya çıkan gazlar ile ısı dağılımını engelleyen fosfor, aydınlığın bozulmasını hızlandırır. Hem silikonun hem de fosforun aynı anda kullanılması, aydınlatmanın hızla azalmasına ve modülün arızalanmasına yol açacaktır.
