مع التحسين المستمر لتكنولوجيا تصنيع أجهزة LED، تم تحسين كفاءة الإضاءة والسطوع والطاقة بشكل كبير. ومع ذلك، فإن كفاءة التحويل الكهروضوئي لمصابيح LED لا تزال حوالي 20% فقط، مع تحويل الطاقة الكهربائية المتبقية إلى طاقة حرارية، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المكون وانخفاض كفاءة الإضاءة. باعتبارها جزءًا لا يتجزأ من المكون، تكون مادة التغليف أكثر حساسية لدرجات الحرارة المرتفعة. لذلك، يعد الفشل الناتج عن مادة التغليف أحد الأسباب الرئيسية التي تؤثر على العمر الافتراضي لوحدة LED بأكملها.
تركز هذه الورقة على وحدات LED التي تستخدم مواد تغليف السيليكون والفوسفور الشائعة. تم اختيار عينات تمثيلية وإخضاعها لاختبارات التقادم في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة-. الهدف هو تحليل سلوك فشل مواد التغليف وإيجاد آليات فشلها. من خلال قياس إضاءة العينات عبر الإنترنت، تم الحصول على تأثير قانون فشل مادة التغليف على موثوقية عينات LED في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة-.
1. التجربة باعتبارها منتجًا إلكترونيًا نموذجيًا عالي الموثوقية-، يمكن أن تتمتع مصابيح LED بعمر افتراضي يصل إلى عدة سنوات في درجة حرارة الغرفة. قد يستغرق الاختبار في ظل الظروف التقليدية وقتًا طويلاً-ومكلفًا للغاية. وفقا لنموذج أرهينيوس، فإن العمر الافتراضي لوحدات LED يتناقص مع زيادة درجة الحرارة. ولذلك، فإن زيادة درجة الحرارة المحيطة يمكن أن يؤدي إلى تسريع فشل وحدات LED. استنادًا إلى معلمات الأداء ذات الصلة لعينات LED المحددة في هذه التجربة ونتائج الاختبارات السابقة، تم إجراء اختبار تقادم درجة الحرارة الثابتة -درجة الحرارة المرتفعة- عند 125 درجة. المظاهر الرئيسية لفشل LED تشمل: انخفاض بنسبة 30٪ في الإضاءة، والخفقان، وفشل LED الكامل (أي الإطفاء الكامل). ولذلك، لاستكشاف سلوك فشل وحدات LED في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة-، فمن الضروري فهم نمط تغير إضاءة LED بمرور الوقت. تتطلب طرق الاختبار التقليدية دون الاتصال بالإنترنت إزالة العينة للاختبار، مما يقطع التجربة ويؤثر بشكل كبير على دقة البيانات. ولذلك، تعتمد هذه الورقة طريقة قياس عبر الإنترنت لمراقبة تغير الإضاءة مع مرور الوقت في الوقت الحقيقي.
1.1 الإجراء التجريبي
يظهر الشكل 1 الإجراء التجريبي. يتم وضع العينة في غرفة الاختبار للحصول على الطاقة- عند الاختبار. يتم نقل إشارة الإضاءة الخاصة بها إلى مقياس الإضاءة عبر الألياف الضوئية. يقوم مقياس الإضاءة بتحويل الإشارة الضوئية إلى إشارة كهربائية وينقلها إلى جهاز الاستحواذ. يتم جمع البيانات المكتسبة في جهاز كمبيوتر باستخدام برنامج أخذ العينات. يمكن لهذا النظام اكتشاف التغيرات في إضاءة الوحدة في الوقت الفعلي دون مقاطعة التجربة؛ ولذلك، فإن دقة البيانات التجريبية أعلى من طرق الاختبار المتقطعة.
الشكل 1 - دراسة حول فشل مواد تعبئة وحدة LED في ظل ظروف -درجة الحرارة المرتفعة
تشتمل معدات الحصول على البيانات على مقياس إضاءة رقمي كامل -متعدد القنوات وبرامج داعمة وألياف ضوئية ومشابك ألياف ضوئية. كان مصدر الطاقة مصدر تيار ثابت، حيث يوفر 350 مللي أمبير من التيار لعينات LED. غرفة اختبار التقادم ذات درجة الحرارة العالية المستخدمة هي غرفة اختبار ركوب الدراجات ذات درجة الحرارة المرتفعة والمنخفضة Ruikai Instruments RK-TH-408UF، مع التحكم في درجة الحرارة عند 125 درجة.
1.2 عينات الاختبار
كان هناك أربعة أنواع من عينات الاختبار، كما هو مبين في الشكل 2. من اليسار إلى اليمين، هم: عينة رقاقة LED زرقاء نقية (يشار إليها فيما بعد بعينة الرقاقة النقية)، وشريحة LED زرقاء مع السيليكون (يشار إليها فيما بعد بعينة السيليكون)، وعينة LED بيضاء مع الفوسفور والسيليكون (يشار إليها فيما بعد بعينة السيليكون الفوسفور)، وعينة LED بيضاء مع الفوسفور (يشار إليها فيما بعد بعينة الفوسفور). هذه العينات كلها عبارة عن وحدات LED تحتوي على الياقوت كركيزة، ومغلفة على ركيزة موصلة باستخدام السيليكون أو الفوسفور.
الشكل 1 - دراسة عن فشل مواد تعبئة وحدة LED في ظل ظروف التعتيق ذات درجات الحرارة العالية
2. النتائج والمناقشة
2.1 مراقبة الإضاءة
لم تتم ملاحظة أي مصابيح LED وامضة أو ميتة أثناء التجربة. ولذلك، فإن انخفاض الإضاءة بنسبة تزيد عن 30% في عينة LED يعتبر فشلاً. تم اختبار أربعة أنواع من العينات في وقت واحد عند درجة حرارة 125 درجة، وتم اختيار خمس عينات لكل نوع. تم حساب متوسط إضاءة العينات الخمس لكل نوع ثم تم تطبيعها، كما هو مبين في الشكل 3. ويبين الشكل أنه بعد حوالي 120 ساعة من الاختبار، انخفضت إضاءة عينة الرقاقة النقية بنحو 8%، في حين تجاوز انخفاض الإضاءة في العينات الثلاث الأخرى 30%. وفقًا لمعايير الحكم على فشل LED، فشلت عينة السيليكون وعينة سيليكون الفوسفور وعينة الفوسفور.
الشكل 1 - منحنى الإضاءة
2.2 تغييرات المظهر
وقد لوحظ ظهور العينات بعد التجربة. يظهر مظهر العينات بعد التجربة في الشكل 4.
الشكل 1 (مع الصورة المصاحبة)
انشر-التجربة
تُظهر الصورة تغيرات مختلفة في المظهر في العينات الأربع: أظهرت عينة الرقاقة النقية تغيرًا طفيفًا، مع تشوه طفيف فقط في عدسة راتنجات الإيبوكسي الخارجية؛ أظهرت عينة السيليكون تفحيمًا واضحًا وفقاعات في المنتصف؛ أظهرت عينة سيليكون الفوسفور فقاعات واضحة وبعض الكربنة الأقل وضوحًا في المنتصف؛ وأظهرت عدسة راتنجات الايبوكسي لعينة الفوسفور تشوهًا واضحًا.
2.3 تحليل النتائج
قبل التجربة تم فحص عينات الاختبار وتبين أنها خالية من الكربنة والفقاعات، وكانت الرقاقة والعدسة نظيفة وخالية من المواد الغريبة. بعد -اختبار التقادم بدرجة حرارة عالية عند 125 درجة، ظهرت الكربنة والفقاعات في عينة السيليكون، وتشوهت عدسة راتنجات الإيبوكسي للعينة بدون السيليكون. أظهرت عينة الرقاقة النقية، التي لم تستخدم السيليكون أو الفوسفور، أقل تغيير وأقل توهين ضوئي. وبعد 120 ساعة من الشيخوخة، كان توهين الضوء أقل من 10%. ووفقا لمعايير الحكم على الفشل، فإن هذا النوع من العينات لم يفشل بعد. فشلت عينات السيليكون التي تستخدم فقط عينات السيليكون والفوسفور التي تستخدم الفوسفور فقط بعد حوالي 36 ساعة من الاختبار. الفرق يكمن في ما يلي: قبل الفشل، كان معدل تسوس الإضاءة لعينة السيليكون أقل من عينة الفوسفور؛ ومع ذلك، بعد الفشل، تسارع معدل تسوس الإضاءة لعينة السيليكون بشكل ملحوظ، مما أدى إلى تسوس الإضاءة أكبر بكثير بعد 120 ساعة مقارنة بعينة الفوسفور. فشلت عينات سيليكون الفوسفور- باستخدام كل من السيليكون والفوسفور بعد حوالي 12 ساعة، مع وصول اضمحلال الإضاءة إلى 90% بعد 120 ساعة. وخلاصة القول، يمكن استخلاص الاستنتاجات التالية:
① تتمتع عينات الرقائق النقية بأطول عمر. أحد الأسباب المحتملة هو أن عينات الرقائق استخدمت ركيزة من الياقوت بدون حشوة السيليكون أو الفوسفور، مما يعني أنها لا تحتوي على مواد تغليف بخلاف عدسات راتنجات الإيبوكسي. ولذلك، في ظل نفس ظروف وقت الاختبار ودرجة الحرارة، فشلت جميع عينات السيليكون المملوءة بمواد التغليف وعينات الفوسفور وعينات سيليكون الفوسفور-، في حين أن إضاءة عينات الرقائق، على الرغم من انخفاضها، لم تصل إلى 30%.
② يساهم السيليكون والفوسفور في تسريع تدهور الإضاءة في الوحدة. يتفحم السيليكون تحت درجات حرارة عالية، وينتج الغاز، ولهذا السبب تظهر فقاعات ملحوظة في العينات التي تم اختبارها. في عينات الضوء الأزرق، لوحظ الكربنة الملحوظة لأن الركيزة الياقوتية تكشف الشريحة بأكملها، مما يجعل الكربنة يمكن ملاحظتها مباشرة. ومع ذلك، في عينات الضوء الأبيض، يؤدي طلاء الفوسفور الموجود على الطبقة الخارجية للرقاقة إلى حجب عملية الكربنة، مما يؤدي إلى ظهور فقاعات ملحوظة وتكربن أقل وضوحًا. علاوة على ذلك، قد يعيق طلاء الفوسفور تبديد الحرارة من عينة LED، مما يؤدي إلى زيادة درجة الحرارة وانخفاض الإضاءة. ولذلك، فإن انخفاض الإضاءة في عينة الفوسفور أكبر بكثير من ذلك الموجود في عينة الرقاقة.
③ عند 125 درجة، يتمدد راتنج الإيبوكسي بسبب الحرارة. عندما يتم إيقاف الاختبار ويتم تبريد العينات إلى درجة حرارة الغرفة، ينكمش راتنجات الإيبوكسي بسبب انخفاض درجة الحرارة، مما يتسبب في تشوه العدسة على العينات التي تمت إزالتها. يؤدي تشوه العدسة إلى تقليل انتقال الضوء، لكن هذا لا يسبب توهينًا مميتًا للضوء.
3. الاستنتاج: مواد التغليف الشائعة (مثل السيليكون والفوسفور) لها تأثير كبير على موثوقية وحدات LED. لدراسة تأثير مواد التغليف، تم اختيار 125 درجة كدرجة الحرارة المحيطة. تم استخدام طريقة قياس عبر الإنترنت لإجراء -اختبارات تقادم درجة الحرارة الثابتة على أربع عينات مختلفة في وقت واحد في غرفة اختبار ذات درجة حرارة عالية-. أظهرت النتائج أنه عند 125 درجة، فإن وحدة LED بدون السيليكون والفوسفور تتمتع بأطول عمر وموثوقية عالية. ومع ذلك، فإن تفحيم السيليكون والغازات الناتجة، وكذلك الفوسفور الذي يعيق تبديد الحرارة، يسرع من اضمحلال الإضاءة. سيؤدي استخدام كل من السيليكون والفوسفور في وقت واحد إلى اضمحلال الإضاءة السريع، مما يؤدي إلى فشل الوحدة.
