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          LED光源模塊的失效原因

          來源:   發佈時間:2019-06-05   點擊量:14

          LED光源模塊一般由基板、芯片、封裝材料(包括熒光粉)、透鏡組成 ,某些模塊還包括散熱裝置和導熱硅膠,現在流行的封裝方式有DOB和COB。因爲LED光源模塊設計的多樣性和組成的複雜性,所以造成失效的原因也非常多,一般包括以下幾點:

          1.封裝材料退化

          LED在日常生活使用的過程中,長時間的工作會讓LED的藍光與GaN系統中的帶間輻射覆合所產生的紫外線的輻射和溫度升高而引致LED的外表封裝材料(如環氧樹脂)內的許多聚合物的光學透明度的大輻度下降,從而引起了LED的出光效率的下降。

          對於這個封裝材料的退化會引起LED的出光效率降低的這個問題 ,D.L.Barton等人曾做過研究試驗 。實驗表明當LED的環境溫度爲95℃、驅動電流大於40mA時  ,LED的pn結溫度超過145℃,這個溫度是讓封裝材料達到了變色的臨界狀態 。如果在大電流的條件下,封裝材料甚至會出現碳化,從而在器件的表面生成一種不透明物質或形成導電通道,致使器件失效。

          2.污染物焊接

          LED的污染物焊接是指LED在封裝過程中,LED芯片的電極被液滴、油污、纖維、粉塵等物質所覆蓋污染 ,導致LED的焊點部分或全部接觸不良而形成的缺陷  ,這是危害最大的LED焊接缺陷 。

          據實驗表明 ,當污染物覆蓋了整個焊點時,在焊接處會形成金屬—介質—金屬結構 ,也稱爲隧道結。而在器件發光的過程中 ,由於隧道結的存在,LED芯片的峯值波長的發光強度會降低到正常時的60% 。因此,對LED封裝焊接缺陷進行可靠性檢測是十分必要的。

          3.固晶底膠引起的失效

          在白光LED行業中常用到的固晶膠有氧樹脂絕緣膠、硅樹脂絕緣膠、銀膠,而三者各有利弊,在選用時要綜合考慮 。環氧樹脂:絕緣膠導熱性差 ,但亮度高;硅樹脂絕緣:膠導熱效果比環氧樹脂稍好 ,亮度高 ,但由於硅成分佔一定比例 ,固晶片時旁邊殘留的硅樹脂與熒光膠裏的環氧樹脂相結合時會產生隔層現象 ,經過冷熱衝擊後將產生剝離導致死燈;銀膠的導熱性比前兩者都好 ,可以延長LED芯片的壽命 ,但銀膠對光的吸收比較大,導致亮度低。對於雙電極藍光晶片在用銀膠固晶時對膠量的控制也很嚴格 ,否則容易產生短路,直接影響到產品的良品率。因此 ,對於不同類型的器件產品,要適當地選用不同的固晶底膠,這樣才能更好地降低由其引起的器件失效。

          4.熒光粉失效

          實現白光LED的途徑有多種 ,目前使用最普遍、最成熟的一種是通過LED芯片產生的藍光激發黃色熒光粉 ,所以熒光粉的材質對白光LED的衰減影響很大。市場最主流的白光熒光粉是YAG鋁石榴石熒光粉、硅酸鹽熒光粉、氮化物熒光粉。與藍光LED芯片相比 ,熒光粉的失效會導致LED的光衰加速 ,從而降低LED的壽命。實驗表明熒光粉在溫度爲80℃時,激發效率會降低2%,冷卻後又恢復,而這個很短時間的一個測試說明了LED溫度的升高會讓熒光粉的性能下降 ,而LED長時間工作在高溫下 ,會對熒光粉造成不可逆轉的衰退,還會普遍出現LED的波長藍移的問題 。

          所以,白光LED的光衰減甚至失亮的很大部分原因就是熱作用下熒光粉性能的快速衰減 。因此,熒光粉自身的質量對LED的正常發光壽命有着很重要的影響。

          5.散熱問題引起的失效

          LED是一種固態的半導體器件,而LED芯片的表面面積較小 ,工作時電流密度大,且用於照明時往往要求多個LED組合而成 。LED密集度大 ,導致芯片發熱密度高 ,而結溫上升會導致光輸出減少 ,芯片加快蛻化,縮短器件壽命。表1給出了幾種不同材料的熱導率 。可以看出  ,目前在功率型LED的製備中,技術最爲成熟、使用最多的藍寶石襯底的熱導率只有35~46W/(m×K),不足Si材料的1/4 。


          如果要考慮到實際應用中對色漂移的不良影響,熱設計也要對最高結溫進行限制 。由於LED芯片輸入功率的不斷提高,對這些功率型LED的封裝技術就提出了更高的要求  ,如今散熱問題已成爲制約高功率LED發展的關鍵因素。

          6.LEDGaN基外延材料缺陷引起的失效

          由於沒有與GaN相配的襯底材料 ,目前在絕大部分的LED器件中的GaN薄膜中存在着大量的缺陷 。GaN材料與目前主流襯底藍寶石的晶格常數的失配率爲14%,而在藍寶石襯底上生長的GaN材料位錯密度爲108/cm3~1010/cm3。

          在LED的製備過程中 ,材料的缺陷會對載流子有吸附作用,從而在有源層中形成無輻射的複合中心 ,增加了光的吸收,導致LED發光效率的下降;當電流足夠大時 ,載流子纔會發生輻射的複合 ,但這又會引起晶格振動 ,晶格的熱運動會加速缺陷的形成 ,造成LED異質結的退化。器件中接觸的金屬電極在電應力和熱應力的作用下就會沿着錯位遷移,從而形成低通歐姆阻道,這會引致器件光功率的下降和漏電流的增加 。因此 ,提高外延材料的質量,降低材料中的缺陷密度能有效提高LED器件的可靠性 。

          7.靜電損傷引起的失效

          GaN材料具有3.39eV的寬禁帶 ,高電阻率 。因此,GaN基LED芯片在其生產、運送的過程中所產生的靜電電荷容易積累而產生高的靜電電壓 。藍寶石襯底的GaN基LED器件的結構對靜電的承受能力是很小的,極易被其產生的靜電擊穿 。在無靜電保護的情況下 ,人體所產生的靜電容易將LED局部擊穿,LED器件被靜電擊穿後將造成永久性失效 。

          8.P型GaN歐姆接觸老化

          Meneghesso等人在分析GaN的失效過程中,通過LED器件在退化前後的I-V特性 ,Meneghesso等人認爲這些變化是由於P-GaN透明導電膜與金屬導線電極的歐姆接觸在大電流和熱的影響下退化  ,導致串聯電阻的增加,產生了電流密集效應 ,從而使得發光效率的下降;在大電流注入的情況下,缺陷會發生增值,最終導致漏電流的增加。因此 ,P-GaN的金屬電極的歐姆接觸對LED的光學性能起重要的作用。

          除了以上原因  ,其餘失效原因還包括芯片與基板的焊接空洞、層裂 ,透鏡的黃化、開裂,芯片的開路、短路等。

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