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高温老化条件下LED模组封装材料失效研究

作者: salmon范 编辑: 瑞凯仪器 来源: www.riukai.com 发布日期: 2019.10.12

引言

    随着LED器件制造技术的不断完善,其发光效率、亮度和功率都有了大幅度提高。然而LED的光电转换效率依然只有20%左右,其余的电能则转换成热能造成组件温度提高,发光效率降低。而封装材料作为组件的一部分对高温更加敏感,因此,由封装材料引起的失效是影响整个LED模组寿命的主要原因之-一。
    本文针对常见的硅胶和荧光粉为封装材料的LED模组,选取具有代表性的样品在高温条件下进行老化试验,其目的在于分析封装材料的失效行为,找到其失效原理。通过在线测量样品的光照度,获取在高温条件下封装材料的失效规律对LED样品可靠性的影响。

    1、试验

    LED作为一种典型的高可靠性电子产品,在室温下的使用寿命可能长达数年,如果在常规条件下进行试验,周期过长,成本较高。而根据阿伦尼斯模型,随着温度升高,LED模组的寿命会随之降低。所以可以通过提高环境温度来达到加速LED模组失效的目的。根据本试验中选取的LED样品的相关性能参数和前期试验的结果,选取125℃作为实验的环境温度进行恒定温度的 高温老化试验。LED发生失效的主要表现形式包括:光照度衰减30%出现闪烁和死灯(即完全熄灭)。因此要探求LED模组在高温条件下的失效行为,必须掌握LED光照度随时间变化的规律。传统离线测试方式需要取出样品进行测试,试验必须中断,对数据的精度有较大影响。故本文采取在线测量方式,实时监测光照度随时间的变化。
    1.1试验流程

    试验流程如图1所示,将样品放置在试验箱中进行加电试验,其照度信号通过光纤传输给照度计,照度计将光信号转换成电信号传递给采集设备,采集的数据在电脑中通过采样软件搜集。此系统能在不中断试验的情况下实时检测模组光照度的变化,因此试验数据的精度相比中断测试方式要高。

试验流程示意图

    采集设备包括全数字多通道照度计及配套软件、光纤、光纤夹具。供电设备是恒流源,为LED样品提供350mA的电流。高温老化试验箱使用的是高低温循环试验箱,控制温度在125℃。
    1.2  试验样品

    试验样品有四种,其外观如图2所示,从左至右依次为:蓝光纯芯片样品(下称纯芯片样品),蓝光芯片加硅胶样品(下称硅胶样品),白光有荧光粉加硅胶样品(下称荧光粉硅胶样品), 白光有荧光粉样品,(下称荧光粉样品)。这些样品都是以蓝宝石为衬底,使用硅胶或荧光粉封装在导电基板上完成的L ED模组。

四种不同的样品

    2、结果与讨论

    2.1 光照度监测

    在试验过程中样品没有出现闪烁和死灯的现象,所以当LED样品的光照度衰减30%以上就可认为其失效。在125℃条件下对四种试验样品同时进行试验,每一种样品都选取了5个样本。对每-一种样品的5个样本的光照度进行平均后再进行归一化处理,其值如图3所示。从图中可以看到:在试验进行了大约120h后纯芯片样品的光照度衰减了8%左右,而其余三种样品光照度的衰减量都超过了3 0%。根据判断LED失效的准则,硅胶样品、荧光粉硅胶样品及荧光粉样品发生了失效。

归一化光照度曲线

    2.2外观变化
    试验完成后对样本进行外观观测,试验后样品的外观如图4所示。
试验后样品的外观图
    从图中可以观察到四种样品出现了不同的外观变化:纯芯片样品变化不太明显,只是最外层的环氧树脂透镜发生了少许变形;硅胶样品中间出现了明显的碳化还出现了气泡;荧光粉硅胶样品中间出现了明显的气泡和一些不明显的碳化;荧光粉样品的环氧树脂透镜发生了明显的变形。
    2.3结果分析
    在试验前,使用的试验样品经检查没有碳化和气泡,芯片和透镜之间干净、无异物。在125 ℃的条件下进行高温老化试验后,在有硅胶的样品中出现了碳化和气泡,无硅胶样品的环氧树脂透镜发生了变形,没有使用硅胶和荧光粉的纯芯片样品的变化最小,光衰减也最小,经过了120 h的老化试验,光衰减也不到10%, 根据失效判断准则,此种样品尚未发生失效。单独使用硅胶的硅胶样品与单独使用荧光粉的荧光粉样品在试验进行大约36h后发生失效,不同在于:发生失效前,硅胶样品的光照度衰减速率低于荧光粉样品的光照度衰减速率;而发生失效后,硅胶样品的光照度衰减速率明显加快,使试验进行120h后硅胶样品的光照度衰减量远高于荧光粉样品光照度的衰减量。同时使用硅胶和荧光粉的荧光粉硅胶样品在大约12h后发生失效,在试验进行120h后光照度衰减量达到了90%。综上,可以得出以下结论:
    ①纯芯片样品寿命最长。可能的原因是:芯片样品以蓝宝石衬底而没有填充硅胶和荧光粉,即芯片样品中除环氧树脂透镜外没有填充任何封装材料。所以在相同的试验时间和温度条件下,填充了封装材料的硅胶样品、荧光粉样品和荧光粉硅胶样品都发生了失效,而芯片样品的光照度虽然有所衰减但都没有达到30%。
    ②硅胶和荧光粉会导致模组光照度加速衰减。硅胶在高温条件下会发生碳化进而产生气体,所以在试验后的样品中可以看到明显的气泡。而在蓝光样品中可以看到明显的碳化,是因为蓝宝石衬底在芯片的下面将整个芯片裸露出来,使碳化现象可以直接被观察到。但是白光样品中,在芯片外层还涂敷了荧光粉,荧光粉本身的颜色遮挡住碳化现象,所以在白光样品中可以观察到明显的气泡和不明显的碳化。而对于荧光粉,涂覆的荧光粉可能阻碍了LED样品的散热,导致LED样品温度升高造成光照度衰减。所以,荧光粉样品的光照度衰减量远大于芯片样品的光照度衰减量。
    ③在125°℃时环氧树脂受热膨胀,当试验停止冷却到室温取出样品时环氧树脂又因为温度的下降而收缩,这就使得取出的样品上透镜都发生了变形。透镜变形将导致通光量的降低,但这个原因不会引起致命的光衰减。

    3、结论

    常用封装材料(如硅胶和荧光粉)对LED模组可靠性具有重要影响,为研究封装材料的影响规律,选取125℃作为环境温度,采用在线测量的方式,使用高温试验箱同时对四种不同的样品进行恒定温度的 老化试验。结果表明:在125 ℃的条件下,没有使用硅胶和荧光粉的LED模组的寿命最长,具有很高的可靠性;而硅胶的碳化以及随之产生的气体、阻碍散热的荧光粉都会使光照度加速衰减,如果同时使用硅胶及荧光粉会使光照度迅速衰减导致模组失效。
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