עם השיפור המתמיד של טכנולוגיית ייצור מכשירי ה-LED, יעילות האור, הבהירות והעוצמה שלו שופרו משמעותית. עם זאת, יעילות ההמרה הפוטואלקטרית של נורות LED היא עדיין רק כ-20%, כאשר האנרגיה החשמלית הנותרת מומרת לאנרגיית חום, מה שגורם לעלייה בטמפרטורת הרכיבים ולירידה ביעילות האור. כחלק בלתי נפרד מהרכיב, חומר המעטפת רגיש עוד יותר לטמפרטורות גבוהות. לכן, כשל שנגרם על ידי חומר המעטפת הוא אחת הסיבות העיקריות המשפיעות על תוחלת החיים של כל מודול ה-LED.
מאמר זה מתמקד במודולי LED המשתמשים בחומרי עטיפה נפוצים של סיליקון וזרחן. דגימות מייצגות נבחרו ועברו בדיקות התיישנות בתנאי טמפרטורה- גבוהים. המטרה היא לנתח את התנהגות הכשל של חומרי המעטפת ולמצוא את מנגנוני הכשל שלהם. על ידי מדידת עוצמת ההארה של הדגימות באופן מקוון, הושגה ההשפעה של חוק הכשל של חומר המעטפת על האמינות של דגימות ה-LED בתנאי טמפרטורה- גבוהים.
1. ניסוי כמוצר אלקטרוני אופייני-באמינות גבוהה, נוריות LED יכולות לקבל אורך חיים של מספר שנים בטמפרטורת החדר. בדיקה בתנאים קונבנציונליים תהיה גוזלת זמן- ויקרה מדי. על פי דגם Arrhenius, תוחלת החיים של מודולי LED פוחתת עם עליית הטמפרטורה. לכן, הגדלת טמפרטורת הסביבה יכולה להאיץ את הכישלון של מודולי LED. בהתבסס על פרמטרי הביצועים הרלוונטיים של דגימות ה-LED שנבחרו בניסוי זה והתוצאות של בדיקות קודמות, בוצעה בדיקת הזדקנות-בטמפרטורה גבוהה-בטמפרטורה קבועה ב-125 מעלות. הביטויים העיקריים של כשל LED כוללים: ירידה של 30% בעוצמת הארה, הבהוב וכשל מוחלט של LED (כלומר, כיבוי מוחלט). לכן, כדי לחקור את התנהגות הכשל של מודולי LED בתנאי טמפרטורה- גבוהים, יש צורך להבין את דפוס השינוי בעוצמת הארה של LED לאורך זמן. שיטות בדיקה לא מקוונות מסורתיות דורשות הסרת המדגם לבדיקה, מה שמפריע לניסוי ומשפיע באופן משמעותי על דיוק הנתונים. לכן, מאמר זה מאמץ שיטת מדידה מקוונת לניטור השינוי בעוצמת הארה לאורך זמן בזמן אמת.
1.1 הליך ניסוי
ההליך הניסיוני מוצג באיור 1. הדגימה ממוקמת בתא הבדיקה לצורך הספק-בבדיקה. אות עוצמת ההארה שלו מועבר למד עוצמת הארה באמצעות סיב אופטי. מד עוצמת ההארה ממיר את אות האור לאות חשמלי ומשדר אותו למכשיר הרכישה. הנתונים הנרכשים נאספים במחשב באמצעות תוכנת דגימה. מערכת זו יכולה לזהות שינויים בעוצמת הארה של המודול בזמן אמת מבלי להפריע לניסוי; לכן, הדיוק של נתוני הניסוי גבוה יותר מזה של שיטות בדיקה שנקטעו.
איור 1 - מחקר על כשל של חומרי אריזה של מודול LED בתנאי התיישנות- גבוהים בטמפרטורה
ציוד רכישת הנתונים כלל מד עוצמת הארה-דיגיטלי מלא ותוכנה תומכת, סיבים אופטיים ומהדקי סיבים אופטיים. ספק הכוח היה מקור זרם קבוע, שסיפק זרם של 350mA לדגימות LED. תא בדיקת ההזדקנות בטמפרטורה-גבוהה בשימוש היה Ruikai Instruments RK-TH-408UF תא בדיקת רכיבה על אופניים בטמפרטורה גבוהה ונמוכה, כשהטמפרטורה נשלטת ב-125 מעלות.
1.2 דגימות בדיקה
היו ארבעה סוגים של דגימות בדיקה, כפי שמוצג באיור 2. משמאל לימין, הם: דגימת שבב LED טהור כחול (להלן דגימת השבב הטהור), שבב LED כחול עם סיליקון (להלן דוגמת סיליקון), דגימת LED לבנה עם זרחן וסיליקון (להלן דוגמת סיליקון פוספור) (להלן דגימת LED phosphor), ודגימת LED לבנה עם סיליקון. המכונה דגימת הזרחן). דגימות אלו הן כולן מודולי LED עם ספיר כמצע, מוקפים על מצע מוליך באמצעות סיליקון או זרחן.
איור 1 - מחקר על כשל של חומרי אריזה של מודול LED בתנאי יישון בטמפרטורה גבוהה
2. תוצאות ודיון
2.1 ניטור עוצמת הארה
לא נצפו נוריות LED מתות או מהבהבות במהלך הניסוי. לכן, ירידה בעוצמת הארה של יותר מ-30% בדגימת LED נחשבה לכישלון. ארבעה סוגי דגימות נבדקו בו-זמנית ב-125 מעלות, כאשר חמש דגימות נבחרו לכל סוג. עוצמת ההארה של חמש הדגימות עבור כל סוג נעשתה ממוצעת ולאחר מכן נורמלה, כפי שמוצג באיור 3. האיור מראה כי לאחר כ-120 שעות של בדיקה, עוצמת ההארה של דגימת השבב הטהור ירדה בכ-8%, בעוד שירידת עוצמת ההארה של שלוש הדגימות האחרות עלתה על 30%. על פי הקריטריונים לשיפוט כישלון LED, דגימת הסיליקון, דגימת הסיליקון הזרחנית ודגימת הזרחן נכשלו.
איור 1 - עקומת תאורה
2.2 שינויים במראה
המראה של הדגימות נצפה לאחר הניסוי. המראה של הדגימות לאחר הניסוי מוצג באיור 4.
איור 1 (עם תמונה נלווית)
פוסט-ניסוי
התמונה מציגה שינויים שונים במראה בארבע הדגימות: דגימת השבב הטהור הראתה שינוי מועט, עם עיוות קל בלבד של עדשת שרף האפוקסי החיצונית ביותר; דגימת הסיליקון הראתה פחמול ברור ובועות באמצע; דגימת הסיליקון הזרחנית הראתה בועות ברורות וקצת התפחה פחות ברורה באמצע; ועדשת שרף האפוקסי של דגימת הזרחן הראתה דפורמציה ברורה.
2.3 ניתוח תוצאות
לפני הניסוי, דגימות הבדיקה נבדקו ונמצאו נקיות מפחממות ובועות, והשבב והעדשה היו נקיים וללא חומרים זרים. לאחר בדיקת התיישנות-בטמפרטורה גבוהה ב-125 מעלות, הופיעו פחם ובועות בדגימת הסיליקון, ועדשת שרף האפוקסי של הדגימה ללא סיליקון התעוותה. דגימת השבב הטהור, שלא השתמשה בסיליקון או זרחן, הראתה את המינימום השינויים ואת הנחת האור לפחות. לאחר 120 שעות של יישון, הנחתת האור הייתה פחות מ-10%. על פי הקריטריונים לשיפוט כשלון, מדגם מסוג זה טרם נכשל. דגימות סיליקון באמצעות סיליקון בלבד ודגימות זרחן באמצעות זרחן בלבד נכשלו לאחר כ-36 שעות של בדיקה. ההבדל טמון בדברים הבאים: לפני הכשל, שיעור דעיכת עוצמת ההארה של דגימת הסיליקון היה נמוך מזה של דגימת הזרחן; עם זאת, לאחר כשל, קצב דעיכת עוצמת ההארה של דגימת הסיליקון הואץ באופן משמעותי, וכתוצאה מכך דעיכה גדולה יותר של עוצמת ההארה לאחר 120 שעות בהשוואה לדגימת הזרחן. דגימות סיליקון-זרחן באמצעות סיליקון וגם זרחן נכשלו לאחר כ-12 שעות, עם דעיכה של עוצמת הארה שהגיעה ל-90% לאחר 120 שעות. לסיכום, ניתן להסיק את המסקנות הבאות:
① לדגימות שבבים טהורים היה תוחלת החיים הארוכה ביותר. סיבה אפשרית היא שדגימות השבבים השתמשו במצע ספיר ללא מילוי סיליקון או זרחן, כלומר לא הכילו חומר עטיפה מלבד עדשות שרף אפוקסי. לכן, באותם תנאי בדיקה וטמפרטורה, דגימות סיליקון מלאות בחומר עטיפה, דגימות זרחן ודגימות סיליקון זרחן, כולן נכשלו, בעוד שעוצמת ההארה של דגימות השבבים, למרות שהצטמצמה, לא הגיעה ל-30%.
② סיליקון וזרחן תורמים לדעיכה מואצת של עוצמת הארה במודול. סיליקון מתפחם תחת טמפרטורות גבוהות, ומייצר גז, וזו הסיבה שבועות ניכרות נראות בדגימות שנבדקו. בדגימות האור הכחול, נצפית פחמול מורגש מכיוון שמצע הספיר חושף את השבב כולו, מה שהופך את הפחממה לניתנת לצפייה ישירה. עם זאת, בדגימות האור הלבן, ציפוי זרחני בשכבה החיצונית של השבב מסתיר את תהליך הפחממה, וכתוצאה מכך לבועות ניכרות ולפחזום פחות ברור. יתר על כן, ציפוי הזרחן עלול לעכב את פיזור החום מדגימת ה-LED, להוביל לטמפרטורה מוגברת ולירידה בעוצמת הארה. לכן, ירידת עוצמת ההארה בדגימת הזרחן גדולה משמעותית מזו שבדגימת השבב.
③ ב-125 מעלות, שרף אפוקסי מתרחב עקב חום. כאשר הבדיקה מופסקת והדגימות מקוררות לטמפרטורת החדר, שרף האפוקסי מתכווץ עקב ירידת הטמפרטורה, מה שגורם לעיוות העדשה על הדגימות שהוסרו. עיוות העדשה מפחית את העברת האור, אך הדבר אינו גורם להנחתה קטלנית של האור.
3. מסקנה לחומרי אנקפסולציה נפוצים (כגון סיליקון וזרחן) יש השפעה משמעותית על האמינות של מודולי LED. כדי לחקור את ההשפעה של חומרי עטיפה, 125 מעלות נבחרה כטמפרטורת הסביבה. נעשה שימוש בשיטת מדידה מקוונת לביצוע בדיקות הזדקנות-קבועות בטמפרטורה על ארבע דגימות שונות בו-זמנית בתא בדיקה-בטמפרטורה גבוהה. התוצאות מראות שב-125 מעלות, למודול LED ללא סיליקון וזרחן יש את תוחלת החיים הארוכה ביותר ואמינות גבוהה. עם זאת, הפחממה של סיליקון והגזים הנוצרים, כמו גם הזרחן המעכב את פיזור החום, מאיצים את דעיכת עוצמת ההארה. שימוש בסיליקון ובזרחן בו זמנית יגרום לדעיכה מהירה של עוצמת ההארה, מה שיוביל לכשל במודול.
