Durch die kontinuierliche Verbesserung der Technologie zur Herstellung von LED-Geräten wurden deren Lichtausbeute, Helligkeit und Leistung erheblich verbessert. Allerdings beträgt der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad von LEDs immer noch nur etwa 20 %, wobei die verbleibende elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird, wodurch die Bauteiltemperatur steigt und die Lichtausbeute abnimmt. Als integraler Bestandteil des Bauteils ist das Vergussmaterial noch empfindlicher gegenüber hohen Temperaturen. Daher ist ein durch das Verkapselungsmaterial verursachter Ausfall einer der Hauptgründe für die Lebensdauer des gesamten LED-Moduls.
Dieses Papier konzentriert sich auf LED-Module, die gängige Silikon- und Phosphor-Verkapselungsmaterialien verwenden. Repräsentative Proben wurden ausgewählt und Alterungstests unter Hochtemperaturbedingungen unterzogen. Ziel ist es, das Versagensverhalten der Verkapselungsmaterialien zu analysieren und deren Versagensmechanismen zu finden. Durch Online-Messung der Beleuchtungsstärke der Proben wurde der Einfluss des Versagensgesetzes des Kapselungsmaterials auf die Zuverlässigkeit der LED-Proben unter Hochtemperaturbedingungen ermittelt.
1. Experiment Als typisches hochzuverlässiges elektronisches Produkt können LEDs bei Raumtemperatur eine Lebensdauer von mehreren Jahren haben. Tests unter herkömmlichen Bedingungen wären zu zeit{3}aufwändig und kostspielig. Nach dem Arrhenius-Modell nimmt die Lebensdauer von LED-Modulen mit steigender Temperatur ab. Daher kann eine Erhöhung der Umgebungstemperatur den Ausfall von LED-Modulen beschleunigen. Basierend auf den relevanten Leistungsparametern der in diesem Experiment ausgewählten LED-Proben und den Ergebnissen früherer Tests wurde ein Alterungstest bei konstanter-Temperatur und hoher-Temperatur bei 125 Grad durchgeführt. Zu den Haupterscheinungen eines LED-Ausfalls gehören: ein 30-prozentiger Rückgang der Beleuchtungsstärke, Flackern und ein vollständiger LED-Ausfall (d. h. vollständiges Erlöschen). Um das Ausfallverhalten von LED-Modulen unter Hochtemperaturbedingungen zu untersuchen, ist es daher notwendig, das Muster der Änderung der LED-Beleuchtungsstärke im Laufe der Zeit zu verstehen. Bei herkömmlichen Offline-Testmethoden muss die Probe zum Testen entnommen werden, wodurch das Experiment unterbrochen und die Genauigkeit der Daten erheblich beeinträchtigt wird. Daher verwendet dieser Artikel eine Online-Messmethode, um die Änderung der Beleuchtungsstärke im Zeitverlauf in Echtzeit zu überwachen.
1.1 Experimentelle Vorgehensweise
Der experimentelle Ablauf ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Probe wird für den Einschalttest-in die Testkammer gelegt. Sein Beleuchtungsstärkesignal wird über eine Glasfaser an einen Beleuchtungsstärkemesser übertragen. Der Beleuchtungsstärkemesser wandelt das Lichtsignal in ein elektrisches Signal um und übermittelt es an das Erfassungsgerät. Die erfassten Daten werden mithilfe einer Sampling-Software in einem Computer gesammelt. Dieses System kann Änderungen der Modulbeleuchtungsstärke in Echtzeit erkennen, ohne das Experiment zu unterbrechen; Daher ist die Genauigkeit der experimentellen Daten höher als die von unterbrochenen Testmethoden.
Abbildung 1 - Studie zum Versagen von Verpackungsmaterialien für LED-Module unter Alterungsbedingungen bei hohen-Temperaturen
Zur Datenerfassungsausrüstung gehörten ein vollständig digitales Mehrkanal-Beleuchtungsstärkemessgerät sowie unterstützende Software, Glasfaser und Glasfaserklemmen. Die Stromversorgung war eine Konstantstromquelle, die den LED-Proben einen Strom von 350 mA lieferte. Bei der verwendeten Hochtemperatur-Alterungstestkammer handelte es sich um die Hoch- und Niedertemperatur-Wechseltestkammer RK-TH-408UF von Ruikai Instruments, wobei die Temperatur auf 125 Grad geregelt wurde.
1.2 Testmuster
Es gab vier Arten von Testproben, wie in Abbildung 2 dargestellt. Von links nach rechts sind dies: eine blaue LED-Reinchipprobe (im Folgenden als reine Chipprobe bezeichnet), ein blauer LED-Chip mit Silikon (im Folgenden als Silikonprobe bezeichnet), eine weiße LED-Probe mit Leuchtstoff und Silikon (im Folgenden als Leuchtstoffsilikonprobe bezeichnet) und eine weiße LED-Probe mit Leuchtstoff (im Folgenden als Leuchtstoffprobe bezeichnet). Bei diesen Mustern handelt es sich ausschließlich um LED-Module mit Saphir als Substrat, die mit Silikon oder Phosphor auf einem leitfähigen Substrat verkapselt sind.
Abbildung 1 - Studie zum Versagen von Verpackungsmaterialien für LED-Module unter Alterungsbedingungen bei hohen Temperaturen
2. Ergebnisse und Diskussion
2.1 Überwachung der Beleuchtungsstärke
Während des Experiments wurden keine flackernden oder toten LEDs beobachtet. Daher wurde ein Rückgang der Beleuchtungsstärke um mehr als 30 % bei einem LED-Muster als Fehler gewertet. Vier Probentypen wurden gleichzeitig bei 125 Grad getestet, wobei für jeden Typ fünf Proben ausgewählt wurden. Die Beleuchtungsstärke der fünf Proben für jeden Typ wurde gemittelt und dann normalisiert, wie in Abbildung 3 dargestellt. Die Abbildung zeigt, dass nach etwa 120 Teststunden die Beleuchtungsstärke der reinen Chip-Probe um etwa 8 % abnahm, während die Beleuchtungsstärke der anderen drei Proben um mehr als 30 % abnahm. Gemäß den Kriterien zur Beurteilung des LED-Ausfalls fielen die Silikonprobe, die Phosphor-Silikonprobe und die Phosphorprobe aus.
Abbildung 1 - Beleuchtungskurve
2.2 Änderungen am Aussehen
Das Aussehen der Proben wurde nach dem Experiment beobachtet. Das Aussehen der Proben nach dem Experiment ist in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 1 (mit dazugehörigem Bild)
Posten-Experiment
Das Bild zeigt unterschiedliche Erscheinungsveränderungen bei den vier Proben: Die reine Chip-Probe zeigte kaum Veränderungen, mit nur leichter Verformung der äußersten Epoxidharzlinse; die Silikonprobe zeigte deutliche Karbonisierung und Blasen in der Mitte; Die Phosphor-Silikon-Probe zeigte deutliche Blasen und eine weniger offensichtliche Karbonisierung in der Mitte. und die Epoxidharzlinse der Leuchtstoffprobe zeigte eine offensichtliche Verformung.
2.3 Ergebnisanalyse
Vor dem Experiment wurden die Testproben untersucht und es wurde festgestellt, dass sie frei von Karbonisierung und Blasen waren und der Chip und die Linse sauber und frei von Fremdkörpern waren. Nach einem Hochtemperatur-Alterungstest bei 125 Grad traten in der Silikonprobe Karbonisierung und Blasen auf, und die Epoxidharzlinse der Probe ohne Silikon verformte sich. Die reine Chip-Probe, bei der weder Silikon noch Phosphor verwendet wurde, zeigte die geringste Veränderung und die geringste Lichtabschwächung. Nach 120 h Alterung betrug die Lichtschwächung weniger als 10 %. Gemäß den Kriterien zur Beurteilung des Versagens ist diese Art von Probe noch nicht durchgefallen. Silikonproben, bei denen nur Silikon verwendet wurde, und Phosphorproben, bei denen nur Phosphor verwendet wurde, versagten nach etwa 36 Stunden Testzeit. Der Unterschied lag in Folgendem: Vor dem Ausfall war die Abfallrate der Beleuchtungsstärke der Silikonprobe geringer als die der Phosphorprobe; Nach dem Ausfall beschleunigte sich jedoch die Abfallrate der Beleuchtungsstärke der Silikonprobe erheblich, was zu einem viel stärkeren Abfall der Beleuchtungsstärke nach 120 Stunden im Vergleich zur Phosphorprobe führte. Phosphor-Silikonproben, bei denen sowohl Silikon als auch Phosphor verwendet wurden, versagten nach etwa 12 Stunden, wobei die Beleuchtungsstärke nach 120 Stunden um 90 % abnahm. Zusammenfassend lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:
① Reine Chipproben hatten die längste Lebensdauer. Ein möglicher Grund ist, dass die Chipproben ein Saphirsubstrat ohne Silikon- oder Phosphorfüllung verwendeten, was bedeutet, dass sie außer Epoxidharzlinsen kein Einkapselungsmaterial enthielten. Daher versagten unter den gleichen Testzeit- und Temperaturbedingungen alle mit Einkapselungsmaterial gefüllten Silikonproben, Phosphorproben und Phosphor-Silikonproben, während die Beleuchtungsstärke der Chipproben zwar abnahm, aber nicht 30 % erreichte.
② Silikon und Phosphor tragen zum beschleunigten Abfall der Beleuchtungsstärke im Modul bei. Silikon verkohlt bei hohen Temperaturen und es entsteht Gas, weshalb in den getesteten Proben auffällige Blasen sichtbar sind. Bei den Blaulichtproben ist eine merkliche Karbonisierung zu beobachten, da das Saphirsubstrat den gesamten Chip freilegt und die Karbonisierung direkt beobachtbar ist. Bei den Weißlichtproben verdeckt jedoch eine Phosphorbeschichtung auf der Außenschicht des Chips den Karbonisierungsprozess, was zu deutlich sichtbaren Blasen und einer weniger offensichtlichen Karbonisierung führt. Darüber hinaus kann die Phosphorbeschichtung die Wärmeableitung von der LED-Probe behindern, was zu einer erhöhten Temperatur und einer verringerten Beleuchtungsstärke führt. Daher ist die Beleuchtungsstärkeabnahme bei der Phosphorprobe deutlich größer als bei der Chipprobe.
③ Bei 125 Grad dehnt sich Epoxidharz durch Hitze aus. Wenn der Test beendet wird und die Proben auf Raumtemperatur abgekühlt werden, zieht sich das Epoxidharz aufgrund des Temperaturabfalls zusammen, was zu einer Linsenverformung an den entnommenen Proben führt. Durch die Verformung der Linse wird die Lichtdurchlässigkeit verringert, dies führt jedoch nicht zu einer schwerwiegenden Lichtdämpfung.
3. Fazit Gängige Verkapselungsmaterialien (wie Silikon und Phosphor) haben einen erheblichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit von LED-Modulen. Um den Einfluss von Verkapselungsmaterialien zu untersuchen, wurde als Umgebungstemperatur 125 Grad gewählt. Mithilfe einer Online-Messmethode wurden Alterungstests bei konstanter-Temperatur an vier verschiedenen Proben gleichzeitig in einer Hochtemperatur-Testkammer durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass das LED-Modul ohne Silikon und Leuchtstoff bei 125 Grad die längste Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit aufweist. Allerdings beschleunigen die Karbonisierung des Silikons und die dabei entstehenden Gase sowie die Behinderung der Wärmeableitung durch den Leuchtstoff den Abfall der Beleuchtungsstärke. Die gleichzeitige Verwendung von Silikon und Phosphor führt zu einem schnellen Abfall der Beleuchtungsstärke und damit zum Ausfall des Moduls.
