引言

    隨著LED器件制造技術的不斷完善，其發光效率、亮度和功率都有了大幅度提高。然而LED的光電轉換效率依然只有20%左右，其余的電能則轉換成熱能造成組件溫度提高，發光效率降低。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行老化試驗，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律對LED樣品可靠性的影響。

    1、試驗

    LED作為一種典型的高可靠性電子產品，在室溫下的使用壽命可能長達數年，如果在常規條件下進行試驗，周期過長，成本較高。而根據阿倫尼斯模型，隨著溫度升高，LED模組的壽命會隨之降低。所以可以通過提高環境溫度來達到加速LED模組失效的目的。根據本試驗中選取的LED樣品的相關性能參數和前期試驗的結果，選取125℃作為實驗的環境溫度進行恒定溫度的 高溫老化試驗。LED發生失效的主要表現形式包括:光照度衰減30%出現閃爍和死燈(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光照度隨時間變化的規律。傳統離線測試方式需要取出樣品進行測試，試驗必須中斷，對數據的精度有較大影響。故本文采取在線測量方式，實時監測光照度隨時間的變化。
    1.1試驗流程

    試驗(yan)流程如圖1所示，將樣品放置在試驗(yan)箱中進行加電試驗(yan)，其照(zhao)(zhao)度信(xin)(xin)號通過光纖傳輸給照(zhao)(zhao)度計，照(zhao)(zhao)度計將光信(xin)(xin)號轉(zhuan)換成電信(xin)(xin)號傳遞給采集(ji)設(she)備(bei)，采集(ji)的數(shu)據在電腦中通過采樣軟件搜集(ji)。此系統(tong)能在不中斷試驗(yan)的情況下(xia)實時檢測(ce)模組光照(zhao)(zhao)度的變(bian)化，因此試驗(yan)數(shu)據的精度相比中斷測(ce)試方(fang)式(shi)要(yao)高。

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

    試(shi)驗樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)有四種，其外觀如(ru)圖2所示，從左(zuo)至右(you)依次為:藍(lan)光(guang)純(chun)芯片樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(下稱(cheng)純(chun)芯片樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin))，藍(lan)光(guang)芯片加(jia)硅(gui)膠樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(下稱(cheng)硅(gui)膠樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin))，白光(guang)有熒光(guang)粉加(jia)硅(gui)膠樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(下稱(cheng)熒光(guang)粉硅(gui)膠樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin))， 白光(guang)有熒光(guang)粉樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)，(下稱(cheng)熒光(guang)粉樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin))。這些樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)都是以藍(lan)寶石(shi)為襯(chen)底，使用硅(gui)膠或熒光(guang)粉封(feng)裝在導電(dian)基板上(shang)完成的L ED模(mo)組。

    2、結果與討論

    2.1 光照度監測

    在試(shi)驗(yan)過程中樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)沒有(you)出現閃爍和死燈的(de)現象，所以當LED樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)的(de)光照度(du)(du)衰(shuai)減30%以上就(jiu)可認為(wei)其失效。在125℃條件下對四種(zhong)試(shi)驗(yan)樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)同(tong)時進(jin)(jin)(jin)行(xing)試(shi)驗(yan)，每(mei)一(yi)種(zhong)樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)都選(xuan)取了(le)5個樣(yang)(yang)(yang)本。對每(mei)-一(yi)種(zhong)樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)的(de)5個樣(yang)(yang)(yang)本的(de)光照度(du)(du)進(jin)(jin)(jin)行(xing)平均后再(zai)進(jin)(jin)(jin)行(xing)歸一(yi)化處理，其值(zhi)如圖(tu)3所示。從圖(tu)中可以看到:在試(shi)驗(yan)進(jin)(jin)(jin)行(xing)了(le)大約(yue)120h后純芯(xin)片樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)的(de)光照度(du)(du)衰(shuai)減了(le)8%左右，而其余(yu)三種(zhong)樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)光照度(du)(du)的(de)衰(shuai)減量都超(chao)過了(le)3 0%。根據判(pan)斷(duan)LED失效的(de)準則，硅膠樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)、熒(ying)(ying)光粉硅膠樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)及熒(ying)(ying)光粉樣(yang)(yang)(yang)品(pin)(pin)(pin)發(fa)生了(le)失效。

    2.2外觀變化
    試驗完成后對樣本進行外觀觀測，試驗后樣品的外觀如圖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，只是外層的環氧樹脂透鏡發生了少許變形;硅膠樣品中間出現了明顯的碳化還出現了氣泡;熒光粉硅膠樣品中間出現了明顯的氣泡和一些不明顯的碳化;熒光粉樣品的環氧樹脂透鏡發生了明顯的變形。
    2.3結果分析
    在試驗前，使用的試驗樣品經檢查沒有碳化和氣泡，芯片和透鏡之間干凈、無異物。在125 ℃的條件下進行高溫老化試驗后，在有硅膠的樣品中出現了碳化和氣泡，無硅膠樣品的環氧樹脂透鏡發生了變形，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，經過了120 h的老化試驗，光衰減也不到10%， 根據失效判斷準則，此種樣品尚未發生失效。單獨使用硅膠的硅膠樣品與單獨使用熒光粉的熒光粉樣品在試驗進行大約36h后發生失效，不同在于:發生失效前，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;而發生失效后，硅膠樣品的光照度衰減速率明顯加快，使試驗進行120h后硅膠樣品的光照度衰減量遠高于熒光粉樣品光照度的衰減量。同時使用硅膠和熒光粉的熒光粉硅膠樣品在大約12h后發生失效，在試驗進行120h后光照度衰減量達到了90%。綜上，可以得出以下結論:
    ①純芯片樣品壽命長。可能的原因是:芯片樣品以藍寶石襯底而沒有填充硅膠和熒光粉，即芯片樣品中除環氧樹脂透鏡外沒有填充任何封裝材料。所以在相同的試驗時間和溫度條件下，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生了失效，而芯片樣品的光照度雖然有所衰減但都沒有達到30%。
    ②硅膠和熒光粉會導致模組光照度加速衰減。硅膠在高溫條件下會發生碳化進而產生氣體，所以在試驗后的樣品中可以看到明顯的氣泡。而在藍光樣品中可以看到明顯的碳化，是因為藍寶石襯底在芯片的下面將整個芯片裸露出來，使碳化現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大于芯片樣品的光照度衰減量。
    ③在125°℃時環氧樹脂受熱膨脹，當試驗停止冷卻到室溫取出樣品時環氧樹脂又因為溫度的下降而收縮，這就使得取出的樣品上透鏡都發生了變形。透鏡變形將導致通光量的降低，但這個原因不會引起致命的光衰減。

    3、結論

    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律，選取125℃作為環境溫度，采用在線測量的方式，使用高溫試驗箱同時對四種不同的樣品進行恒定溫度的 老化試驗。結果表明: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生的氣體、阻礙散熱的熒光粉都會使光照度加速衰減，如果同時使用硅膠及熒光粉會使光照度迅速衰減導致模組失效。