با بهبود مستمر تکنولوژی ساخت دستگاه های LED، راندمان نورانی، روشنایی و قدرت آن به طور قابل توجهی بهبود یافته است. با این حال، راندمان تبدیل فوتوالکتریک LED ها هنوز تنها حدود 20٪ است و انرژی الکتریکی باقیمانده به انرژی گرمایی تبدیل می شود و باعث افزایش دمای اجزا و کاهش بازده نور می شود. به عنوان بخشی جدایی ناپذیر از جزء، مواد کپسوله حتی به دماهای بالا حساس تر است. بنابراین، خرابی ناشی از مواد کپسولهسازی یکی از دلایل اصلی تأثیرگذار بر طول عمر کل ماژول LED است.
این مقاله بر روی ماژولهای LED با استفاده از مواد محصورکننده سیلیکون و فسفر متداول تمرکز دارد. نمونههای نماینده انتخاب شدند و تحت آزمایشهای پیری تحت شرایط دمای بالا قرار گرفتند. هدف آنالیز رفتار شکست مواد کپسولهسازی و یافتن مکانیسمهای شکست آنها است. با اندازهگیری روشنایی نمونهها به صورت آنلاین، تأثیر قانون شکست مواد کپسولهسازی بر قابلیت اطمینان نمونههای LED در شرایط دمای بالا به دست آمد.
1. آزمایش به عنوان یک محصول الکترونیکی معمولی-با قابلیت اطمینان بالا، LED ها می توانند چندین سال در دمای اتاق عمر کنند. آزمایش در شرایط معمولی بسیار وقت گیر و پرهزینه خواهد بود. طبق مدل آرنیوس، طول عمر ماژول های LED با افزایش دما کاهش می یابد. بنابراین افزایش دمای محیط می تواند باعث تسریع خرابی ماژول های LED شود. بر اساس پارامترهای عملکرد مربوطه نمونههای LED انتخاب شده در این آزمایش و نتایج آزمایشهای قبلی، آزمایش پیری درجه حرارت بالا در 125 درجه انجام شد. تظاهرات اصلی خرابی LED عبارتند از: کاهش 30 درصدی در روشنایی، سوسو زدن و خرابی کامل LED (یعنی خاموش شدن کامل). بنابراین، برای بررسی رفتار خرابی ماژولهای LED در شرایط دمایی{15}بالا، لازم است الگوی تغییر روشنایی LED در طول زمان را درک کنید. روشهای آزمایش آفلاین سنتی نیاز به حذف نمونه برای آزمایش دارند، که آزمایش را قطع میکند و به طور قابلتوجهی بر دقت دادهها تأثیر میگذارد. بنابراین، این مقاله یک روش اندازه گیری آنلاین را برای نظارت بر تغییر روشنایی در طول زمان در زمان واقعی اتخاذ می کند.
1.1 روش آزمایشی
روش آزمایشی در شکل 1 نشان داده شده است. نمونه در محفظه آزمایش برای قدرت-در آزمایش قرار می گیرد. سیگنال روشنایی آن از طریق فیبر نوری به یک روشنایی سنج منتقل می شود. روشنایی سنج سیگنال نور را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند و آن را به دستگاه اکتساب منتقل می کند. داده های به دست آمده در رایانه با استفاده از نرم افزار نمونه گیری جمع آوری می شود. این سیستم می تواند تغییرات در روشنایی ماژول را در زمان واقعی بدون وقفه در آزمایش تشخیص دهد. بنابراین، دقت داده های تجربی بالاتر از روش های آزمایش قطع شده است.
شکل 1 - مطالعه در مورد خرابی مواد بسته بندی ماژول LED در شرایط پیری در دمای بالا{1}
تجهیزات جمعآوری دادهها شامل یک نورسنج کاملا دیجیتالی چند کاناله و نرمافزار پشتیبانی، فیبر نوری و گیرههای فیبر نوری بود. منبع تغذیه یک منبع جریان ثابت بود که 350 میلی آمپر جریان را به نمونه های LED می داد. محفظه آزمایش پیری در دمای بالا مورد استفاده، محفظه تست چرخه دمای بالا و پایین Ruikai Instruments RK-TH-408UF بود، با دمای کنترل شده در 125 درجه.
1.2 نمونه های آزمایشی
همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، چهار نوع نمونه آزمایش وجود داشت. از چپ به راست، آنها عبارتند از: یک نمونه تراشه LED خالص آبی (از این پس به عنوان نمونه تراشه خالص نامیده می شود)، یک تراشه LED آبی با سیلیکون (از این پس نمونه سیلیکون نامیده می شود)، یک نمونه LED سفید با فسفر و سیلیکون (از این پس به عنوان نمونه LED سفید فسفور (از این پس به عنوان نمونه LED سفید (از این پس نمونه LED با عنوان سیلیکون نامیده می شود) به عنوان نمونه فسفر). این نمونه ها همه ماژول های LED با یاقوت کبود به عنوان بستر هستند که روی یک بستر رسانا با استفاده از سیلیکون یا فسفر محصور شده اند.
شکل 1 - مطالعه در مورد خرابی مواد بسته بندی ماژول LED در شرایط پیری در دمای بالا
2. نتایج و بحث
2.1 نظارت بر روشنایی
در طول آزمایش هیچگونه سوسو زدن یا مردگی LED مشاهده نشد. بنابراین، کاهش روشنایی بیش از 30٪ در یک نمونه LED یک شکست در نظر گرفته شد. چهار نوع نمونه به طور همزمان در 125 درجه آزمایش شدند که برای هر نوع پنج نمونه انتخاب شد. روشنایی پنج نمونه برای هر نوع، میانگین و سپس نرمال شد، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. شکل نشان می دهد که پس از تقریبا 120 ساعت آزمایش، روشنایی نمونه تراشه خالص حدود 8٪ کاهش یافته است در حالی که کاهش روشنایی سه نمونه دیگر از 30٪ فراتر رفته است. با توجه به معیارهای قضاوت خرابی LED، نمونه سیلیکون، نمونه سیلیکون فسفر و نمونه فسفر شکست خوردند.
شکل 1 - منحنی روشنایی
2.2 تغییرات ظاهری
ظاهر نمونه ها پس از آزمایش مشاهده شد. ظاهر نمونه ها بعد از آزمایش در شکل 4 نشان داده شده است.
شکل 1 (به همراه تصویر)
ارسال{0}}آزمایش
تصویر تغییرات ظاهری متفاوتی را در چهار نمونه نشان میدهد: نمونه تراشه خالص تغییر کمی نشان داد، تنها با تغییر شکل جزئی خارجیترین لنز رزین اپوکسی. نمونه سیلیکون کربنیزاسیون آشکار و حباب در وسط را نشان داد. نمونه سیلیکون فسفر حباب های آشکار و مقداری کربنیزاسیون کمتر آشکار در وسط را نشان داد. و لنز رزین اپوکسی نمونه فسفر تغییر شکل آشکاری را نشان داد.
2.3 تجزیه و تحلیل نتایج
قبل از آزمایش، نمونههای آزمایشی بررسی شدند و مشخص شد که فاقد کربن و حباب هستند و تراشه و عدسی تمیز و عاری از مواد خارجی بودند. پس از آزمایش پیری در دمای بالا در 125 درجه، کربنسازی و حبابهایی در نمونه سیلیکونی ظاهر شد و لنز رزین اپوکسی نمونه بدون سیلیکون تغییر شکل داد. نمونه تراشه خالص که در آن از سیلیکون یا فسفر استفاده نشده بود، کمترین تغییر و کمترین تضعیف نور را نشان داد. پس از 120 ساعت پیری، میرایی نور کمتر از 10٪ بود. با توجه به معیارهای قضاوت شکست، این نوع نمونه هنوز شکست نخورده است. نمونههای سیلیکونی که فقط از سیلیکون استفاده میکردند و نمونههای فسفر که فقط از فسفر استفاده میکردند پس از تقریباً 36 ساعت آزمایش شکست خوردند. تفاوت در موارد زیر بود: قبل از شکست، نرخ فروپاشی روشنایی نمونه سیلیکونی کمتر از نمونه فسفر بود. با این حال، پس از شکست، سرعت فروپاشی روشنایی نمونه سیلیکونی به طور قابل توجهی افزایش یافت، که منجر به فروپاشی روشنایی بسیار بیشتر پس از 120 ساعت در مقایسه با نمونه فسفر شد. نمونههای سیلیکون{13}}فسفر با استفاده از سیلیکون و فسفر تقریباً پس از 12 ساعت از کار افتادند، با فروپاشی روشنایی به 90 درصد پس از 120 ساعت. به طور خلاصه، نتایج زیر را می توان نتیجه گرفت:
① نمونه های تراشه خالص بیشترین طول عمر را داشتند. یک دلیل احتمالی این است که نمونه های تراشه از یک بستر یاقوت کبود بدون پر کردن سیلیکون یا فسفر استفاده می کردند، به این معنی که هیچ ماده کپسوله ای به جز لنزهای رزین اپوکسی نداشتند. بنابراین، تحت شرایط زمان آزمایش و دمای یکسان، نمونههای سیلیکونی پر شده با مواد کپسولهسازی، نمونههای فسفر و نمونههای سیلیکون{2}فسفر همگی شکست خوردند، در حالی که روشنایی نمونههای تراشه، اگرچه کاهش مییابد، به 30 درصد نمیرسد.
② سیلیکون و فسفر به تسریع فروپاشی روشنایی در ماژول کمک می کنند. سیلیکون در دمای بالا کربن می شود و گاز تولید می کند، به همین دلیل است که حباب های قابل توجهی در نمونه های آزمایش شده قابل مشاهده است. در نمونههای نور آبی، کربنیزاسیون قابلتوجهی مشاهده میشود، زیرا بستر یاقوت کبود کل تراشه را در معرض دید قرار میدهد و کربنسازی را مستقیماً قابل مشاهده میکند. با این حال، در نمونههای نور سفید، یک پوشش فسفری روی لایه بیرونی تراشه، فرآیند کربنسازی را مخفی میکند و در نتیجه حبابهای قابلتوجهی ایجاد میکند و کربنشدن کمتر آشکار میشود. علاوه بر این، پوشش فسفر ممکن است از اتلاف گرما از نمونه LED جلوگیری کند و منجر به افزایش دما و کاهش روشنایی شود. بنابراین، کاهش روشنایی در نمونه فسفر به طور قابل توجهی بیشتر از نمونه تراشه است.
③ در 125 درجه، رزین اپوکسی به دلیل گرما منبسط می شود. هنگامی که آزمایش متوقف می شود و نمونه ها تا دمای اتاق خنک می شوند، رزین اپوکسی به دلیل افت دما منقبض می شود و باعث تغییر شکل عدسی در نمونه های حذف شده می شود. تغییر شکل لنز باعث کاهش انتقال نور می شود، اما این باعث تضعیف نور کشنده نمی شود.
3. نتیجه گیری مواد محصور کننده معمولی (مانند سیلیکون و فسفر) تأثیر قابل توجهی بر قابلیت اطمینان ماژول های LED دارند. برای بررسی تاثیر مواد کپسوله، دمای 125 درجه به عنوان دمای محیط انتخاب شد. یک روش اندازهگیری آنلاین برای انجام آزمایشهای پیری دمای ثابت بر روی چهار نمونه مختلف به طور همزمان در یک اتاق آزمایش با دمای بالا استفاده شد. نتایج نشان می دهد که در 125 درجه، ماژول LED بدون سیلیکون و فسفر دارای بیشترین طول عمر و قابلیت اطمینان بالا است. با این حال، کربنیزه شدن سیلیکون و گازهای حاصل، و همچنین فسفر مانع از اتلاف گرما می شود، فروپاشی روشنایی را تسریع می کند. استفاده همزمان از سیلیکون و فسفر باعث فروپاشی سریع روشنایی می شود که منجر به خرابی ماژول می شود.
