Với sự cải tiến liên tục của công nghệ sản xuất thiết bị LED, hiệu suất phát sáng, độ sáng và công suất của nó đã được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi quang điện của đèn LED vẫn chỉ khoảng 20%, phần năng lượng điện còn lại được chuyển hóa thành nhiệt năng khiến nhiệt độ linh kiện tăng cao và hiệu suất phát sáng giảm. Là một phần không thể thiếu của bộ phận, vật liệu đóng gói thậm chí còn nhạy cảm hơn với nhiệt độ cao. Do đó, hư hỏng do vật liệu đóng gói là một trong những nguyên nhân chính ảnh hưởng đến tuổi thọ của toàn bộ mô-đun LED.
Bài viết này tập trung vào các mô-đun LED sử dụng vật liệu đóng gói silicon và phốt pho thông thường. Các mẫu đại diện đã được chọn và trải qua các thử nghiệm lão hóa trong điều kiện nhiệt độ-cao. Mục đích là để phân tích hành vi hư hỏng của vật liệu đóng gói và tìm ra cơ chế hư hỏng của chúng. Bằng cách đo độ sáng của các mẫu trực tuyến, người ta đã xác định được tác động của quy luật hư hỏng của vật liệu đóng gói đến độ tin cậy của các mẫu LED trong điều kiện nhiệt độ-cao.
1. Thử nghiệm Là một sản phẩm điện tử có độ tin cậy cao-điển hình, đèn LED có thể có tuổi thọ vài năm ở nhiệt độ phòng. Việc thử nghiệm trong các điều kiện thông thường sẽ tốn quá nhiều thời gian-và tốn kém. Theo mô hình Arrhenius, tuổi thọ của mô-đun LED giảm khi nhiệt độ tăng. Do đó, việc tăng nhiệt độ môi trường có thể đẩy nhanh tốc độ hư hỏng của mô-đun LED. Dựa trên các thông số hiệu suất có liên quan của các mẫu đèn LED được chọn trong thử nghiệm này và kết quả của các thử nghiệm trước đó, thử nghiệm lão hóa ở nhiệt độ-nhiệt độ cao-không đổi đã được tiến hành ở 125 độ . Các biểu hiện chính của lỗi đèn LED bao gồm: độ sáng giảm 30%, nhấp nháy và đèn LED hỏng hoàn toàn (tức là tắt hoàn toàn). Do đó, để khám phá hành vi hỏng hóc của mô-đun LED trong điều kiện nhiệt độ cao, cần phải hiểu mô hình thay đổi độ sáng của đèn LED theo thời gian. Các phương pháp thử nghiệm ngoại tuyến truyền thống yêu cầu loại bỏ mẫu để thử nghiệm, điều này làm gián đoạn quá trình thử nghiệm và ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của dữ liệu. Vì vậy, bài báo này áp dụng phương pháp đo trực tuyến để theo dõi sự thay đổi độ rọi theo thời gian trong thời gian thực.
1.1 Quy trình thí nghiệm
Quy trình thử nghiệm được hiển thị trong Hình 1. Mẫu được đặt trong buồng thử nghiệm để bật nguồn-thử nghiệm. Tín hiệu độ sáng của nó được truyền đến máy đo độ sáng thông qua sợi quang. Máy đo độ sáng chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện và truyền đến thiết bị thu nhận. Dữ liệu thu được được thu thập trong máy tính bằng phần mềm lấy mẫu. Hệ thống này có thể phát hiện những thay đổi về độ sáng của mô-đun trong thời gian thực mà không làm gián đoạn thí nghiệm; do đó, độ chính xác của số liệu thực nghiệm cao hơn so với các phương pháp thử nghiệm gián đoạn.
Hình 1 - Nghiên cứu về sự cố của vật liệu đóng gói mô-đun LED trong điều kiện lão hóa nhiệt độ cao-
Thiết bị thu thập dữ liệu bao gồm máy đo độ sáng đa kênh{0}}kỹ thuật số hoàn toàn và phần mềm hỗ trợ, cáp quang và kẹp cáp quang. Nguồn điện là nguồn dòng không đổi, cung cấp dòng điện 350mA cho các mẫu LED. Buồng thử nghiệm lão hóa ở nhiệt độ cao-được sử dụng là buồng thử nghiệm đạp xe ở nhiệt độ cao và thấp của Ruikai Instruments RK-TH-408UF, với nhiệt độ được kiểm soát ở 125 độ.
1.2 Mẫu thử
Có bốn loại mẫu thử nghiệm, như trong Hình 2. Từ trái sang phải, đó là: mẫu chip LED nguyên chất màu xanh lam (sau đây gọi là mẫu chip nguyên chất), chip LED màu xanh lam có silicon (sau đây gọi là mẫu silicon), mẫu LED trắng có phốt pho và silicone (sau đây gọi là mẫu silicon phốt pho) và mẫu đèn LED trắng có phốt pho (sau đây gọi là mẫu phốt pho). Các mẫu này đều là mô-đun LED với chất nền là sapphire, được bọc trên chất nền dẫn điện sử dụng silicone hoặc phốt pho.
Hình 1 - Nghiên cứu về sự cố của vật liệu đóng gói mô-đun LED trong điều kiện lão hóa ở nhiệt độ cao
2. Kết quả và thảo luận
2.1 Giám sát độ sáng
Không có đèn LED nhấp nháy hoặc chết được quan sát trong quá trình thử nghiệm. Do đó, việc giảm độ sáng hơn 30% trong mẫu đèn LED được coi là thất bại. Bốn loại mẫu được thử nghiệm đồng thời ở nhiệt độ 125 độ, mỗi loại chọn năm mẫu. Độ rọi của năm mẫu cho mỗi loại được tính trung bình và sau đó được chuẩn hóa, như trong Hình 3. Hình vẽ cho thấy sau khoảng 120 giờ thử nghiệm, độ rọi của mẫu chip nguyên chất giảm khoảng 8%, trong khi độ rọi giảm của ba mẫu còn lại vượt quá 30%. Theo tiêu chí đánh giá lỗi đèn LED, mẫu silicon, mẫu silicon phốt pho và mẫu phốt pho không thành công.
Hình 1 - Đường cong chiếu sáng
2.2 Thay đổi về ngoại hình
Sự xuất hiện của các mẫu được quan sát sau thí nghiệm. Hình dạng của các mẫu sau thí nghiệm được thể hiện trên Hình 4.
Hình 1 (có hình ảnh kèm theo)
Đăng-Thử nghiệm
Hình ảnh cho thấy những thay đổi về hình thức khác nhau trong bốn mẫu: mẫu chip nguyên chất cho thấy ít thay đổi, chỉ có biến dạng nhẹ ở thấu kính nhựa epoxy ngoài cùng; mẫu silicon cho thấy cacbon hóa rõ ràng và có bọt khí ở giữa; mẫu silicon phốt pho cho thấy các bong bóng rõ ràng và một số cacbon hóa ít rõ ràng hơn ở giữa; và thấu kính nhựa epoxy của mẫu phốt pho cho thấy sự biến dạng rõ ràng.
2.3 Phân tích kết quả
Trước cuộc thí nghiệm, các mẫu thử nghiệm đã được kiểm tra và không có cacbon hóa và bong bóng, chip và thấu kính sạch sẽ và không có tạp chất lạ. Sau thử nghiệm lão hóa ở nhiệt độ-cao ở 125 độ, quá trình cacbon hóa và bong bóng xuất hiện trong mẫu silicon và thấu kính nhựa epoxy của mẫu không bị biến dạng bằng silicon. Mẫu chip nguyên chất, không sử dụng silicone hoặc phốt pho, cho thấy ít thay đổi nhất và độ suy giảm ánh sáng ít nhất. Sau 120 giờ lão hóa, độ suy giảm ánh sáng nhỏ hơn 10%. Theo tiêu chí đánh giá hư hỏng thì loại mẫu này chưa bị hư hỏng. Các mẫu silicon chỉ sử dụng silicon và các mẫu chỉ sử dụng phốt pho không thành công sau khoảng 36 giờ thử nghiệm. Sự khác biệt nằm ở chỗ: trước khi thất bại, tốc độ phân rã độ sáng của mẫu silicon thấp hơn so với mẫu phốt pho; tuy nhiên, sau khi thất bại, tốc độ phân rã độ sáng của mẫu silicon tăng lên đáng kể, dẫn đến sự phân rã độ sáng lớn hơn nhiều sau 120 giờ so với mẫu phốt pho. Các mẫu silicon phốt pho{13}}sử dụng cả silicon và phốt pho đều không hoạt động sau khoảng 12 giờ, với mức độ suy giảm độ sáng đạt tới 90% sau 120 giờ. Tóm lại, có thể rút ra những kết luận sau:
① Mẫu chip nguyên chất có tuổi thọ cao nhất. Một lý do có thể là các mẫu chip sử dụng chất nền sapphire không chứa silicone hoặc phốt pho, nghĩa là chúng không chứa vật liệu đóng gói nào khác ngoài thấu kính nhựa epoxy. Do đó, trong cùng điều kiện nhiệt độ và thời gian thử nghiệm, các mẫu silicon chứa đầy vật liệu đóng gói, mẫu phốt pho và mẫu silicon- phốt pho đều không đạt, trong khi độ chiếu sáng của các mẫu chip tuy giảm nhưng không đạt 30%.
② Silicon và phốt pho góp phần làm tăng tốc độ suy giảm độ sáng trong mô-đun. Silicone cacbon hóa dưới nhiệt độ cao, tạo ra khí, đó là lý do tại sao có thể nhìn thấy bong bóng đáng chú ý trong các mẫu thử nghiệm. Trong các mẫu ánh sáng xanh, có thể quan sát thấy quá trình cacbon hóa đáng chú ý do chất nền sapphire để lộ toàn bộ con chip, khiến cho quá trình cacbon hóa có thể được quan sát trực tiếp. Tuy nhiên, trong các mẫu ánh sáng trắng, lớp phủ phốt pho ở lớp ngoài của chip sẽ che khuất quá trình cacbon hóa, dẫn đến hiện tượng bong bóng dễ nhận thấy và quá trình cacbon hóa ít rõ ràng hơn. Hơn nữa, lớp phủ phốt pho có thể cản trở sự tản nhiệt từ mẫu đèn LED, dẫn đến nhiệt độ tăng lên và độ sáng giảm. Do đó, độ giảm độ chói trong mẫu phốt pho lớn hơn đáng kể so với mẫu chip.
③ Ở 125 độ, nhựa epoxy nở ra do nhiệt. Khi dừng thử nghiệm và các mẫu được làm lạnh đến nhiệt độ phòng, nhựa epoxy co lại do nhiệt độ giảm, gây biến dạng thấu kính trên các mẫu được lấy ra. Sự biến dạng của thấu kính làm giảm sự truyền ánh sáng, nhưng điều này không gây ra hiện tượng suy giảm ánh sáng nghiêm trọng.
3. Kết luận Các vật liệu đóng gói thông thường (chẳng hạn như silicone và phốt pho) có tác động đáng kể đến độ tin cậy của mô-đun LED. Để nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu đóng gói, nhiệt độ môi trường được chọn là 125 độ. Một phương pháp đo trực tuyến đã được sử dụng để tiến hành đồng thời các thử nghiệm lão hóa ở nhiệt độ-không đổi trên bốn mẫu khác nhau trong buồng thử nghiệm ở nhiệt độ-cao. Kết quả cho thấy ở 125 độ, mô-đun LED không có silicone và phốt pho có tuổi thọ cao nhất và độ tin cậy cao. Tuy nhiên, quá trình cacbon hóa silicone và các khí sinh ra, cũng như photpho cản trở sự tản nhiệt, đẩy nhanh quá trình phân hủy độ sáng. Sử dụng đồng thời cả silicone và phốt pho sẽ làm giảm độ sáng nhanh chóng, dẫn đến hỏng mô-đun.
