引言

    隨著LED器件制造技術(shù)的不斷完善，其發(fā)光效率、亮度和功率都有了大幅度提高。然而LED的光電轉(zhuǎn)換效率依然只有20%左右，其余的電能則轉(zhuǎn)換成熱能造成組件溫度提高，發(fā)光效率降低。而封裝材料作為組件的一部分對高溫更加敏感，因此，由封裝材料引起的失效是影響整個(gè)LED模組壽命的主要原因之-一。
    本文針對常見的硅膠和熒光粉為封裝材料的LED模組，選取具有代表性的樣品在高溫條件下進(jìn)行老化試驗(yàn)，其目的在于分析封裝材料的失效行為，找到其失效原理。通過在線測量樣品的光照度，獲取在高溫條件下封裝材料的失效規(guī)律對LED樣品可靠性的影響。

    1、試驗(yàn)

    LED作為一種典型的高可靠性電子產(chǎn)品，在室溫下的使用壽命可能長達(dá)數(shù)年，如果在常規(guī)條件下進(jìn)行試驗(yàn)，周期過長，成本較高。而根據(jù)阿倫尼斯模型，隨著溫度升高，LED模組的壽命會(huì)隨之降低。所以可以通過提高環(huán)境溫度來達(dá)到加速LED模組失效的目的。根據(jù)本試驗(yàn)中選取的LED樣品的相關(guān)性能參數(shù)和前期試驗(yàn)的結(jié)果，選取125℃作為實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度進(jìn)行恒定溫度的 高溫老化試驗(yàn)。LED發(fā)生失效的主要表現(xiàn)形式包括:光照度衰減30%出現(xiàn)閃爍和死燈(即完全熄滅)。因此要探求LED模組在高溫條件下的失效行為，必須掌握LED光照度隨時(shí)間變化的規(guī)律。傳統(tǒng)離線測試方式需要取出樣品進(jìn)行測試，試驗(yàn)必須中斷，對數(shù)據(jù)的精度有較大影響。故本文采取在線測量方式，實(shí)時(shí)監(jiān)測光照度隨時(shí)間的變化。
    1.1試驗(yàn)流程

    試驗(yàn)流程如圖1所示，將樣品放置在試驗(yàn)箱中進(jìn)行加電試驗(yàn)，其照度信號通過光纖傳輸給照度計(jì)，照度計(jì)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號傳遞給采集設(shè)備，采集的數(shù)據(jù)在電腦中通過采樣軟件搜集。此系統(tǒng)能在不中斷試驗(yàn)的情況下實(shí)時(shí)檢測模組光照度的變化，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度相比中斷測試方式要高。

    采集設(shè)備包括全數(shù)字多通道照度計(jì)及配套軟件、光纖、光纖夾具。供電設(shè)備是恒流源，為LED樣品提供350mA的電流。高溫老化試驗(yàn)箱使用的是高低溫循環(huán)試驗(yàn)箱，控制溫度在125℃。
    1.2  試驗(yàn)樣品

    試驗(yàn)樣品有四種，其外觀如圖2所示，從左至右依次為:藍(lán)光純芯片樣品(下稱純芯片樣品)，藍(lán)光芯片加硅膠樣品(下稱硅膠樣品)，白光有熒光粉加硅膠樣品(下稱熒光粉硅膠樣品)， 白光有熒光粉樣品，(下稱熒光粉樣品)。這些樣品都是以藍(lán)寶石為襯底，使用硅膠或熒光粉封裝在導(dǎo)電基板上完成的L ED模組。

    2、結(jié)果與討論

    2.1 光照度監(jiān)測

    在試驗(yàn)過程中樣品沒有出現(xiàn)閃爍和死燈的現(xiàn)象，所以當(dāng)LED樣品的光照度衰減30%以上就可認(rèn)為其失效。在125℃條件下對四種試驗(yàn)樣品同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，每一種樣品都選取了5個(gè)樣本。對每-一種樣品的5個(gè)樣本的光照度進(jìn)行平均后再進(jìn)行歸一化處理，其值如圖3所示。從圖中可以看到:在試驗(yàn)進(jìn)行了大約120h后純芯片樣品的光照度衰減了8%左右，而其余三種樣品光照度的衰減量都超過了3 0%。根據(jù)判斷LED失效的準(zhǔn)則，硅膠樣品、熒光粉硅膠樣品及熒光粉樣品發(fā)生了失效。

    2.2外觀變化
    試驗(yàn)完成后對樣本進(jìn)行外觀觀測，試驗(yàn)后樣品的外觀如圖4所示。
    從圖中可以觀察到四種樣品出現(xiàn)了不同的外觀變化:純芯片樣品變化不太明顯，只是外層的環(huán)氧樹脂透鏡發(fā)生了少許變形;硅膠樣品中間出現(xiàn)了明顯的碳化還出現(xiàn)了氣泡;熒光粉硅膠樣品中間出現(xiàn)了明顯的氣泡和一些不明顯的碳化;熒光粉樣品的環(huán)氧樹脂透鏡發(fā)生了明顯的變形。
    2.3結(jié)果分析
    在試驗(yàn)前，使用的試驗(yàn)樣品經(jīng)檢查沒有碳化和氣泡，芯片和透鏡之間干凈、無異物。在125 ℃的條件下進(jìn)行高溫老化試驗(yàn)后，在有硅膠的樣品中出現(xiàn)了碳化和氣泡，無硅膠樣品的環(huán)氧樹脂透鏡發(fā)生了變形，沒有使用硅膠和熒光粉的純芯片樣品的變化小，光衰減也小，經(jīng)過了120 h的老化試驗(yàn)，光衰減也不到10%， 根據(jù)失效判斷準(zhǔn)則，此種樣品尚未發(fā)生失效。單獨(dú)使用硅膠的硅膠樣品與單獨(dú)使用熒光粉的熒光粉樣品在試驗(yàn)進(jìn)行大約36h后發(fā)生失效，不同在于:發(fā)生失效前，硅膠樣品的光照度衰減速率低于熒光粉樣品的光照度衰減速率;而發(fā)生失效后，硅膠樣品的光照度衰減速率明顯加快，使試驗(yàn)進(jìn)行120h后硅膠樣品的光照度衰減量遠(yuǎn)高于熒光粉樣品光照度的衰減量。同時(shí)使用硅膠和熒光粉的熒光粉硅膠樣品在大約12h后發(fā)生失效，在試驗(yàn)進(jìn)行120h后光照度衰減量達(dá)到了90%。綜上，可以得出以下結(jié)論:
    ①純芯片樣品壽命長?？赡艿脑蚴?芯片樣品以藍(lán)寶石襯底而沒有填充硅膠和熒光粉，即芯片樣品中除環(huán)氧樹脂透鏡外沒有填充任何封裝材料。所以在相同的試驗(yàn)時(shí)間和溫度條件下，填充了封裝材料的硅膠樣品、熒光粉樣品和熒光粉硅膠樣品都發(fā)生了失效，而芯片樣品的光照度雖然有所衰減但都沒有達(dá)到30%。
    ②硅膠和熒光粉會(huì)導(dǎo)致模組光照度加速衰減。硅膠在高溫條件下會(huì)發(fā)生碳化進(jìn)而產(chǎn)生氣體，所以在試驗(yàn)后的樣品中可以看到明顯的氣泡。而在藍(lán)光樣品中可以看到明顯的碳化，是因?yàn)樗{(lán)寶石襯底在芯片的下面將整個(gè)芯片裸露出來，使碳化現(xiàn)象可以直接被觀察到。但是白光樣品中，在芯片外層還涂敷了熒光粉，熒光粉本身的顏色遮擋住碳化現(xiàn)象，所以在白光樣品中可以觀察到明顯的氣泡和不明顯的碳化。而對于熒光粉，涂覆的熒光粉可能阻礙了LED樣品的散熱，導(dǎo)致LED樣品溫度升高造成光照度衰減。所以，熒光粉樣品的光照度衰減量遠(yuǎn)大于芯片樣品的光照度衰減量。
    ③在125°℃時(shí)環(huán)氧樹脂受熱膨脹，當(dāng)試驗(yàn)停止冷卻到室溫取出樣品時(shí)環(huán)氧樹脂又因?yàn)闇囟鹊南陆刀湛s，這就使得取出的樣品上透鏡都發(fā)生了變形。透鏡變形將導(dǎo)致通光量的降低，但這個(gè)原因不會(huì)引起致命的光衰減。

    3、結(jié)論

    常用封裝材料(如硅膠和熒光粉)對LED模組可靠性具有重要影響，為研究封裝材料的影響規(guī)律，選取125℃作為環(huán)境溫度，采用在線測量的方式，使用高溫試驗(yàn)箱同時(shí)對四種不同的樣品進(jìn)行恒定溫度的 老化試驗(yàn)。結(jié)果表明:在125 ℃的條件下，沒有使用硅膠和熒光粉的LED模組的壽命長，具有很高的可靠性;而硅膠的碳化以及隨之產(chǎn)生的氣體、阻礙散熱的熒光粉都會(huì)使光照度加速衰減，如果同時(shí)使用硅膠及熒光粉會(huì)使光照度迅速衰減導(dǎo)致模組失效。