Avec l'amélioration continue de la technologie de fabrication des appareils LED, son efficacité lumineuse, sa luminosité et sa puissance ont été considérablement améliorées. Cependant, l'efficacité de conversion photoélectrique des LED n'est encore que d'environ 20 %, l'énergie électrique restante étant convertie en énergie thermique, ce qui entraîne une augmentation de la température des composants et une diminution de l'efficacité lumineuse. Faisant partie intégrante du composant, le matériau d’encapsulation est encore plus sensible aux températures élevées. Par conséquent, la défaillance causée par le matériau d’encapsulation est l’une des principales raisons affectant la durée de vie de l’ensemble du module LED.
Cet article se concentre sur les modules LED utilisant des matériaux d'encapsulation courants en silicone et en phosphore. Des échantillons représentatifs ont été sélectionnés et soumis à des tests de vieillissement dans des conditions de température élevée. L'objectif est d'analyser le comportement de défaillance des matériaux d'encapsulation et de trouver leurs mécanismes de défaillance. En mesurant l'éclairement des échantillons en ligne, l'impact de la loi de défaillance du matériau d'encapsulation sur la fiabilité des échantillons de LED dans des conditions de température élevée-a été obtenu.
1. Expérience En tant que produit électronique typique à haute-fiabilité, les LED peuvent avoir une durée de vie de plusieurs années à température ambiante. Les tests dans des conditions conventionnelles prendraient trop de temps-et seraient trop coûteux. Selon le modèle d'Arrhenius, la durée de vie des modules LED diminue avec l'augmentation de la température. Par conséquent, l’augmentation de la température ambiante peut accélérer la défaillance des modules LED. Sur la base des paramètres de performance pertinents des échantillons de LED sélectionnés dans cette expérience et des résultats des tests précédents, un test de vieillissement à température constante-haute-a été effectué à 125 degrés. Les principales manifestations d'une défaillance des LED comprennent : une diminution de 30 % de l'éclairement, un scintillement et une défaillance complète des LED (c'est-à-dire une extinction complète). Par conséquent, pour explorer le comportement de défaillance des modules LED dans des conditions de température élevée, il est nécessaire de comprendre le modèle de changement d'éclairement des LED au fil du temps. Les méthodes de test hors ligne traditionnelles nécessitent de retirer l'échantillon à tester, ce qui interrompt l'expérience et affecte considérablement l'exactitude des données. Par conséquent, cet article adopte une méthode de mesure en ligne pour surveiller en temps réel l’évolution de l’éclairement au fil du temps.
1.1 Procédure expérimentale
La procédure expérimentale est illustrée à la figure 1. L'échantillon est placé dans la chambre de test pour les tests de mise sous tension. Son signal d'éclairement est transmis à un éclairementmètre via une fibre optique. L'éclairementomètre convertit le signal lumineux en signal électrique et le transmet au dispositif d'acquisition. Les données acquises sont collectées dans un ordinateur à l'aide d'un logiciel d'échantillonnage. Ce système peut détecter les changements d'éclairement du module en temps réel sans interrompre l'expérience ; par conséquent, la précision des données expérimentales est supérieure à celle des méthodes de test interrompues.
Figure 1 - Étude sur la défaillance des matériaux d'emballage des modules LED dans des conditions de vieillissement à haute -température
L'équipement d'acquisition de données comprenait un éclairementmètre multicanal-entièrement numérique et un logiciel de support, une fibre optique et des pinces pour fibre optique. L'alimentation électrique était une source de courant constant, fournissant 350 mA de courant aux échantillons de LED. La chambre d'essai de vieillissement à haute température -utilisée était la chambre d'essai de cyclage à haute et basse température Ruikai Instruments RK-TH-408UF, avec une température contrôlée à 125 degrés.
1.2 Échantillons de test
Il y avait quatre types d'échantillons de test, comme le montre la figure 2. De gauche à droite, il s'agit de : un échantillon de puce pure à LED bleue (ci-après dénommé l'échantillon de puce pure), une puce LED bleue avec du silicone (ci-après dénommé l'échantillon de silicone), un échantillon de LED blanche avec du phosphore et du silicone (ci-après dénommé l'échantillon de silicone phosphorescent) et un échantillon de LED blanche avec du phosphore (ci-après dénommé l'échantillon de phosphore). Ces échantillons sont tous des modules LED avec du saphir comme substrat, encapsulés sur un substrat conducteur utilisant du silicone ou du phosphore.
Figure 1 - Étude sur la défaillance des matériaux d'emballage des modules LED dans des conditions de vieillissement à haute température
2. Résultats et discussion
2.1 Surveillance de l'éclairement
Aucune LED vacillante ou morte n’a été observée au cours de l’expérience. Par conséquent, une diminution de l’éclairement de plus de 30 % dans un échantillon de LED était considérée comme un échec. Quatre types d'échantillons ont été testés simultanément à 125 degrés, avec cinq échantillons sélectionnés pour chaque type. L'éclairement des cinq échantillons pour chaque type a été moyenné puis normalisé, comme le montre la figure 3. La figure montre qu'après environ 120 heures de test, l'éclairement de l'échantillon de puce pur a diminué d'environ 8 %, tandis que la diminution de l'éclairement des trois autres échantillons a dépassé 30 %. Selon les critères d'évaluation de la défaillance des LED, l'échantillon de silicone, l'échantillon de silicone phosphorescent et l'échantillon de phosphore ont échoué.
Figure 1 - Courbe d'éclairage
2.2 Modifications de l'apparence
L'aspect des échantillons a été observé après l'expérimentation. L'apparence des échantillons après l'expérience est illustrée à la figure 4.
Figure 1 (avec image d'accompagnement)
Publier-Test
L'image montre différents changements d'apparence dans les quatre échantillons : l'échantillon de copeaux purs a montré peu de changement, avec seulement une légère déformation de la lentille en résine époxy la plus externe ; l'échantillon de silicone présentait une carbonisation évidente et des bulles au milieu ; l'échantillon de silicone phosphorescent présentait des bulles évidentes et une carbonisation moins évidente au milieu ; et la lentille en résine époxy de l'échantillon de phosphore présentait une déformation évidente.
2.3 Analyse des résultats
Avant l'expérience, les échantillons de test ont été inspectés et se sont révélés exempts de carbonisation et de bulles, et la puce et la lentille étaient propres et exemptes de corps étrangers. Après un test de vieillissement à haute température à 125 degrés, une carbonisation et des bulles sont apparues dans l'échantillon de silicone, et la lentille en résine époxy de l'échantillon sans silicone s'est déformée. L'échantillon de puce pure, qui n'utilisait ni silicone ni phosphore, présentait le moins de changement et la moindre atténuation de la lumière. Après 120 h de vieillissement, l'atténuation lumineuse était inférieure à 10 %. Selon les critères de jugement d’échec, ce type d’échantillon n’a pas encore échoué. Les échantillons de silicone utilisant uniquement du silicone et les échantillons de phosphore utilisant uniquement du phosphore ont échoué après environ 36 heures de test. La différence résidait dans les éléments suivants : avant la défaillance, le taux de décroissance de l'éclairement de l'échantillon de silicone était inférieur à celui de l'échantillon de phosphore ; cependant, après une défaillance, le taux de décroissance de l'éclairement de l'échantillon de silicone s'est accéléré de manière significative, ce qui a entraîné une décroissance de l'éclairement beaucoup plus importante après 120 heures par rapport à l'échantillon de phosphore. Les échantillons de phosphore-silicone utilisant à la fois du silicone et du phosphore ont échoué après environ 12 heures, avec une diminution de l'éclairement atteignant 90 % après 120 heures. En résumé, les conclusions suivantes peuvent être tirées :
① Les échantillons de puces pures avaient la durée de vie la plus longue. Une raison possible est que les échantillons de puces utilisaient un substrat en saphir sans remplissage de silicone ou de phosphore, ce qui signifie qu'ils ne contenaient aucun matériau d'encapsulation autre que des lentilles en résine époxy. Par conséquent, dans les mêmes conditions de durée et de température de test, les échantillons de silicone remplis de matériau d'encapsulation, les échantillons de phosphore et les échantillons de silicone phosphoreux - ont tous échoué, tandis que l'éclairement des échantillons de puces, bien que diminuant, n'a pas atteint 30 %.
② Le silicone et le phosphore contribuent à accélérer la décroissance de l'éclairement dans le module. Le silicone carbonise à haute température, produisant du gaz, c'est pourquoi des bulles visibles sont visibles dans les échantillons testés. Dans les échantillons de lumière bleue, une carbonisation notable est observée car le substrat en saphir expose la totalité de la puce, ce qui rend la carbonisation directement observable. Cependant, dans les échantillons de lumière blanche, un revêtement de phosphore sur la couche externe de la puce obscurcit le processus de carbonisation, ce qui entraîne des bulles visibles et une carbonisation moins évidente. De plus, le revêtement de phosphore peut entraver la dissipation de la chaleur de l'échantillon de LED, entraînant une augmentation de la température et une diminution de l'éclairement. Par conséquent, la diminution de l’éclairement dans l’échantillon de phosphore est nettement supérieure à celle dans l’échantillon de puce.
③ À 125 degrés, la résine époxy se dilate sous l'effet de la chaleur. Lorsque le test est arrêté et que les échantillons sont refroidis à température ambiante, la résine époxy se contracte en raison de la baisse de température, provoquant une déformation des lentilles sur les échantillons retirés. La déformation de la lentille réduit la transmission de la lumière, mais cela n'entraîne pas d'atténuation fatale de la lumière.
3. Conclusion Les matériaux d'encapsulation courants (tels que le silicone et le phosphore) ont un impact significatif sur la fiabilité des modules LED. Pour étudier l’influence des matériaux d’encapsulation, une température ambiante de 125 degrés a été sélectionnée. Une méthode de mesure en ligne a été utilisée pour effectuer des tests de vieillissement à température constante-sur quatre échantillons différents simultanément dans une chambre d'essai à haute-température. Les résultats montrent qu'à 125 degrés, le module LED sans silicone ni phosphore a la plus longue durée de vie et une grande fiabilité. Cependant, la carbonisation du silicone et les gaz qui en résultent, ainsi que le phosphore qui empêche la dissipation de la chaleur, accélèrent la dégradation de l'éclairement. L’utilisation simultanée de silicone et de phosphore entraînera une diminution rapide de l’éclairement, conduisant à une défaillance du module.
