การวิจัยเกี่ยวกับความล้มเหลวของวัสดุห่อหุ้มโมดูล LED ภายใต้สภาวะการเสื่อมสภาพที่อุณหภูมิสูง-

ด้วยการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีการผลิตอุปกรณ์ LED ประสิทธิภาพการส่องสว่าง ความสว่าง และพลังงานได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกของ LED ยังคงอยู่ที่ประมาณ 20% โดยพลังงานไฟฟ้าที่เหลือจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อน ทำให้อุณหภูมิของส่วนประกอบเพิ่มขึ้นและประสิทธิภาพการส่องสว่างลดลง เนื่องจากเป็นส่วนหนึ่งของส่วนประกอบ วัสดุห่อหุ้มจึงมีความไวต่ออุณหภูมิสูงมากยิ่งขึ้น ดังนั้นความล้มเหลวที่เกิดจากวัสดุห่อหุ้มจึงเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของโมดูล LED ทั้งหมด

บทความนี้มุ่งเน้นไปที่โมดูล LED ที่ใช้วัสดุห่อหุ้มซิลิโคนและฟอสเฟอร์ทั่วไป ตัวอย่างตัวแทนได้รับการคัดเลือกและผ่านการทดสอบความชราภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง- จุดมุ่งหมายคือเพื่อวิเคราะห์พฤติกรรมความล้มเหลวของวัสดุห่อหุ้มและค้นหากลไกความล้มเหลว การวัดความส่องสว่างของตัวอย่างทางออนไลน์ ทำให้ได้รับผลกระทบของกฎความล้มเหลวของวัสดุห่อหุ้มที่มีต่อความน่าเชื่อถือของตัวอย่าง LED ภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง-

1. การทดลอง เนื่องจากเป็นผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความน่าเชื่อถือสูง- โดยทั่วไป LED อาจมีอายุการใช้งานหลายปีที่อุณหภูมิห้อง การทดสอบภายใต้สภาวะปกติอาจใช้เวลา-และมีค่าใช้จ่ายสูงเกินไป ตามโมเดล Arrhenius อายุการใช้งานของโมดูล LED จะลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นการเพิ่มอุณหภูมิโดยรอบสามารถเร่งความล้มเหลวของโมดูล LED ได้ ตามพารามิเตอร์ประสิทธิภาพที่เกี่ยวข้องของตัวอย่าง LED ที่เลือกในการทดลองนี้และผลการทดสอบก่อนหน้านี้ การทดสอบการชราภาพด้วยอุณหภูมิสูง-คงที่{8}}ได้ดำเนินการที่ 125 องศา อาการหลักของความล้มเหลวของ LED ได้แก่: ความสว่างลดลง การกะพริบ และความล้มเหลวของ LED โดยสิ้นเชิง (เช่น การดับโดยสิ้นเชิง) ดังนั้น เพื่อสำรวจพฤติกรรมความล้มเหลวของโมดูล LED ภายใต้-สภาวะอุณหภูมิสูง จำเป็นต้องเข้าใจรูปแบบของการเปลี่ยนแปลงความสว่างของ LED เมื่อเวลาผ่านไป วิธีการทดสอบออฟไลน์แบบเดิมๆ จำเป็นต้องนำตัวอย่างออกเพื่อทำการทดสอบ ซึ่งจะขัดขวางการทดลองและส่งผลต่อความถูกต้องของข้อมูลอย่างมาก ดังนั้น บทความนี้จึงใช้วิธีการวัดแบบออนไลน์เพื่อติดตามการเปลี่ยนแปลงของความสว่างตามเวลาจริง

1.1 ขั้นตอนการทดลอง

ขั้นตอนการทดลองแสดงไว้ในรูปที่ 1 ตัวอย่างจะถูกวางไว้ในห้องทดสอบเพื่อรับพลังงาน-ในการทดสอบ สัญญาณความสว่างจะถูกส่งไปยังเครื่องวัดความสว่างผ่านใยแก้วนำแสง เครื่องวัดความสว่างจะแปลงสัญญาณแสงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าและส่งไปยังอุปกรณ์รับสัญญาณ ข้อมูลที่ได้รับจะถูกรวบรวมในคอมพิวเตอร์โดยใช้ซอฟต์แวร์สุ่มตัวอย่าง ระบบนี้สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของความสว่างของโมดูลได้แบบเรียลไทม์โดยไม่รบกวนการทดลอง ดังนั้นความถูกต้องของข้อมูลการทดลองจึงสูงกว่าวิธีการทดสอบที่ถูกขัดจังหวะ

รูปที่ 1 - การศึกษาเกี่ยวกับความล้มเหลวของวัสดุบรรจุภัณฑ์โมดูล LED ภายใต้สภาวะการเสื่อมสภาพที่อุณหภูมิสูง-

อุปกรณ์รับข้อมูลประกอบด้วยเครื่องวัดความสว่างหลาย-ดิจิทัลเต็มรูปแบบและซอฟต์แวร์ที่รองรับ ไฟเบอร์ออปติก และแคลมป์ไฟเบอร์ออปติก แหล่งจ่ายไฟเป็นแหล่งจ่ายกระแสคงที่ โดยจ่ายกระแสไฟ 350mA ให้กับตัวอย่าง LED ห้องทดสอบการเสื่อมสภาพที่อุณหภูมิสูง-ที่ใช้คือห้องทดสอบการหมุนเวียนที่อุณหภูมิสูงและต่ำของ Ruikai Instruments RK-TH-408UF โดยควบคุมอุณหภูมิไว้ที่ 125 องศา

1.2 ตัวอย่างทดสอบ

ตัวอย่างการทดสอบมีสี่ประเภท ดังแสดงในรูปที่ 2 จากซ้ายไปขวา ได้แก่: ตัวอย่างชิป LED บริสุทธิ์สีน้ำเงิน (ต่อไปนี้จะเรียกว่าตัวอย่างชิปบริสุทธิ์), ชิป LED สีน้ำเงินพร้อมซิลิโคน (ต่อไปนี้จะเรียกว่าตัวอย่างซิลิโคน), ตัวอย่าง LED สีขาวที่มีฟอสเฟอร์และซิลิโคน (ต่อไปนี้จะเรียกว่าตัวอย่างซิลิโคนฟอสเฟอร์) และตัวอย่าง LED สีขาวที่มีฟอสเฟอร์ (ต่อไปนี้จะเรียกว่าตัวอย่างฟอสเฟอร์) ตัวอย่างเหล่านี้เป็นโมดูล LED ทั้งหมดที่มีแซฟไฟร์เป็นสารตั้งต้น และห่อหุ้มไว้บนพื้นผิวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าโดยใช้ซิลิโคนหรือสารเรืองแสง

รูปที่ 1 - การศึกษาเกี่ยวกับความล้มเหลวของวัสดุบรรจุภัณฑ์โมดูล LED ภายใต้สภาวะการเสื่อมสภาพที่อุณหภูมิสูง

2. ผลลัพธ์และการสนทนา

2.1 การตรวจสอบความสว่าง

ไม่พบการกะพริบหรือไฟ LED ที่ไม่ทำงานในระหว่างการทดลอง ดังนั้นการลดความสว่างในตัวอย่าง LED มากกว่า 30% จึงถือเป็นความล้มเหลว ตัวอย่างสี่ประเภทถูกทดสอบพร้อมกันที่ 125 องศา โดยเลือกตัวอย่างห้าตัวอย่างสำหรับแต่ละประเภท ความส่องสว่างของตัวอย่างทั้งห้าตัวอย่างสำหรับแต่ละประเภทได้รับค่าเฉลี่ยแล้วทำให้เป็นมาตรฐาน ดังแสดงในรูปที่ 3 รูปภาพแสดงให้เห็นว่าหลังจากการทดสอบประมาณ 120 ชั่วโมง ความส่องสว่างของตัวอย่างชิปบริสุทธิ์ลดลงประมาณ 8% ในขณะที่การลดความสว่างของตัวอย่างอีกสามตัวอย่างเกิน 30% ตามเกณฑ์ในการตัดสินความล้มเหลวของ LED ตัวอย่างซิลิโคน ตัวอย่างซิลิโคนฟอสเฟอร์ และตัวอย่างฟอสเฟอร์ล้มเหลว

รูปที่ 1 - เส้นโค้งการส่องสว่าง

2.2 การเปลี่ยนแปลงรูปลักษณ์

สังเกตลักษณะที่ปรากฏของตัวอย่างหลังการทดลอง ลักษณะที่ปรากฏของตัวอย่างหลังการทดลองแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 1 (พร้อมรูปภาพประกอบ)

โพสต์-การทดลอง

ภาพแสดงการเปลี่ยนแปลงรูปลักษณ์ที่แตกต่างกันในตัวอย่างทั้งสี่ตัวอย่าง: ตัวอย่างชิปบริสุทธิ์มีการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย โดยมีการเสียรูปเพียงเล็กน้อยของเลนส์อีพอกซีเรซินด้านนอกสุด ตัวอย่างซิลิโคนแสดงให้เห็นคาร์บอไนเซชันและฟองอากาศตรงกลางอย่างชัดเจน ตัวอย่างซิลิโคนฟอสเฟอร์มีฟองชัดเจนและมีคาร์บอนไนเซชันที่มองเห็นได้น้อยกว่าตรงกลาง และเลนส์อีพอกซีเรซินของตัวอย่างฟอสเฟอร์แสดงการเสียรูปอย่างเห็นได้ชัด

2.3 การวิเคราะห์ผลลัพธ์

ก่อนการทดลอง ตัวอย่างทดสอบได้รับการตรวจสอบและพบว่าไม่มีคาร์บอนและฟองอากาศ รวมถึงชิปและเลนส์สะอาดและปราศจากสิ่งแปลกปลอม หลังจากการทดสอบอายุที่อุณหภูมิสูง-ที่ 125 องศา คาร์บอนและฟองอากาศปรากฏขึ้นในตัวอย่างซิลิโคน และเลนส์อีพอกซีเรซินของตัวอย่างที่ไม่มีซิลิโคนเปลี่ยนรูป ตัวอย่างชิปบริสุทธิ์ซึ่งไม่ได้ใช้ซิลิโคนหรือฟอสเฟอร์ มีการเปลี่ยนแปลงน้อยที่สุดและมีการลดทอนแสงน้อยที่สุด หลังจากอายุ 120 ชั่วโมง การลดแสงจะน้อยกว่า 10% ตามเกณฑ์การตัดสินความล้มเหลวตัวอย่างประเภทนี้ยังไม่ล้มเหลว ตัวอย่างซิลิโคนที่ใช้เฉพาะตัวอย่างซิลิโคนและฟอสเฟอร์ที่ใช้เพียงฟอสเฟอร์เท่านั้นล้มเหลวหลังจากการทดสอบประมาณ 36 ชั่วโมง ความแตกต่างมีดังนี้: ก่อนที่จะเกิดความล้มเหลว อัตราการสลายตัวของความสว่างของตัวอย่างซิลิโคนต่ำกว่าของตัวอย่างฟอสเฟอร์ อย่างไรก็ตาม หลังจากความล้มเหลว อัตราการสลายตัวของแสงของตัวอย่างซิลิโคนจะเร่งขึ้นอย่างมาก ส่งผลให้เกิดการสลายตัวของแสงมากขึ้นหลังจาก 120 ชั่วโมงเมื่อเทียบกับตัวอย่างฟอสเฟอร์ ตัวอย่างฟอสเฟอร์-ซิลิโคนที่ใช้ทั้งซิลิโคนและฟอสเฟอร์ล้มเหลวหลังจากผ่านไปประมาณ 12 ชั่วโมง โดยความสว่างจะสลายไปถึง 90% หลังจาก 120 ชั่วโมง โดยสรุปสามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้:

1 ตัวอย่างชิปบริสุทธิ์มีอายุการใช้งานยาวนานที่สุด เหตุผลที่เป็นไปได้ก็คือ ตัวอย่างชิปใช้ซับสเตรตแซฟไฟร์ที่ไม่มีซิลิโคนหรือสารฟอสเฟอร์ ซึ่งหมายความว่าไม่มีวัสดุห่อหุ้มใดๆ เลยนอกจากเลนส์อีพอกซีเรซิน ดังนั้น ภายใต้สภาวะเวลาและอุณหภูมิในการทดสอบเดียวกัน ตัวอย่างซิลิโคนที่เติมด้วยวัสดุห่อหุ้ม ตัวอย่างฟอสเฟอร์ และตัวอย่างซิลิโคนฟอสเฟอร์-ทั้งหมดล้มเหลว ในขณะที่ความสว่างของตัวอย่างชิป แม้จะลดลง แต่ก็ยังไม่ถึง 30%

2 ซิลิโคนและฟอสเฟอร์มีส่วนเร่งการสลายตัวของความสว่างในโมดูล ซิลิโคนจะเกิดคาร์บอไนซ์ภายใต้อุณหภูมิสูง ทำให้เกิดก๊าซ ซึ่งเป็นเหตุให้มองเห็นฟองอากาศที่เห็นได้ชัดเจนในตัวอย่างที่ทดสอบ ในตัวอย่างแสงสีฟ้า จะสังเกตเห็นการเกิดคาร์บอนไนเซชันที่เห็นได้ชัดเจน เนื่องจากซับสเตรตแซฟไฟร์เผยให้เห็นชิปทั้งหมด ทำให้สามารถสังเกตการเกิดคาร์บอนได้โดยตรง อย่างไรก็ตาม ในตัวอย่างแสงสีขาว การเคลือบฟอสเฟอร์บนชั้นนอกของชิปจะบดบังกระบวนการคาร์บอไนเซชัน ส่งผลให้เกิดฟองที่สังเกตเห็นได้ชัดเจนและคาร์บอไนเซชันที่เห็นได้ชัดน้อยลง นอกจากนี้ การเคลือบฟอสเฟอร์อาจขัดขวางการกระจายความร้อนจากตัวอย่าง LED ส่งผลให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นและความสว่างลดลง ดังนั้น ค่าความสว่างที่ลดลงในตัวอย่างฟอสเฟอร์จึงมากกว่าค่าในตัวอย่างชิปอย่างมาก

3 ที่อุณหภูมิ 125 องศา อีพอกซีเรซินจะขยายตัวเนื่องจากความร้อน เมื่อหยุดการทดสอบและตัวอย่างถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้อง อีพอกซีเรซินจะหดตัวเนื่องจากอุณหภูมิลดลง ส่งผลให้เลนส์ในตัวอย่างที่ถูกดึงออกมาเสียรูป การเสียรูปของเลนส์ช่วยลดการส่งผ่านแสง แต่ไม่ทำให้แสงลดทอนลงถึงขั้นเสียชีวิต

3. บทสรุป วัสดุห่อหุ้มทั่วไป (เช่น ซิลิโคนและสารเรืองแสง) มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อความน่าเชื่อถือของโมดูล LED เพื่อตรวจสอบอิทธิพลของวัสดุห่อหุ้ม ให้เลือก 125 องศาเป็นอุณหภูมิโดยรอบ วิธีการวัดแบบออนไลน์ถูกนำมาใช้เพื่อดำเนินการ-ทดสอบการชราภาพด้วยอุณหภูมิคงที่กับตัวอย่างที่แตกต่างกัน 4 ตัวอย่างพร้อมกันในห้องทดสอบที่มีอุณหภูมิสูง- ผลการศึกษาพบว่าที่อุณหภูมิ 125 องศา โมดูล LED ที่ไม่มีซิลิโคนและสารเรืองแสงจะมีอายุการใช้งานยาวนานที่สุดและมีความน่าเชื่อถือสูง อย่างไรก็ตาม การทำให้ซิลิโคนเป็นคาร์บอนและก๊าซที่เกิดขึ้น รวมถึงฟอสเฟอร์ที่ขัดขวางการกระจายความร้อน จะช่วยเร่งการสลายตัวของความสว่าง การใช้ทั้งซิลิโคนและสารเรืองแสงพร้อมกันจะทำให้ความสว่างลดลงอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้โมดูลเสียหาย