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Investigating and Modeling the Impact of Moisture on the Reliability of Mid-Power Light-Emitting Diodes

Benkner, Simon (2024)
Investigating and Modeling the Impact of Moisture on the Reliability of Mid-Power Light-Emitting Diodes.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026493
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Investigating and Modeling the Impact of Moisture on the Reliability of Mid-Power Light-Emitting Diodes
Language: English
Referees: Khanh, Prof. Dr. Tran Quoc ; Hofmann, Prof. Dr. Klaus
Date: 9 January 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxvii, 146 Seiten
Date of oral examination: 29 November 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026493
Abstract:

Over the past decades Light-emitting Diode (LED) devices have not only entered but occupied large segments of the general lighting market due to their flexible control features, high power conversion efficiency and exceptional long lifetime when operated at the recommended conditions. With the constant emergence of new application specific phosphor-materials niche applications are targeted. In some use cases the LEDdevice is exposed to multiple, often elevated environmental stress conditions, such as temperature and humidity. An example of such an application is horticulture lighting in vertical or greenhouse farming scenarios. However, especially the impact of moisture on the LED device as a whole is only sparsely investigated in past studies since mostly thermal and electrical stress conditions were targeted. In particular, only very few studies have been conducted on plastic-leaded chip carrier (PLCC) Mid-Power LED devices with respect to moisture. These situation is also reflected in common standards and methodologies for reliability testing and lifetime calculation. Therefore, the investigation of moisture ingress on performance of a LED and modeling this very is the main scope of this work. Over the course of this work an accelerated degradation test experiment was designed and conducted to gain further insights on the role of the combination of temperature, current and humidity on the devices degradation. This experiment included four state-of-the-art, commercially available Mid-Power LED devices recommended for the use in horticulture applications that were each subjected to 24 different temperature, humidity and current conditions. The current state of each device was measured continuously with respect to its optical, electrical and thermal characteristics. Based on the observed results it is concluded that especially moisture ingress severely impacts the devices performance by causing the encapsulant to detach from adjacent parts of the package due to shear forces introduced by hygroscopic swelling of the silicone encapsulant. Accompanying effects, such as tarnishing of the reflective lead-frame coating or accelerated dissolution admixed phosphor particles can also be reported. Regarding the modeling of the observed degradation trajectories various continuous decay functions and a segmented decay approach were investigated. Latter showed promising results especially when considering the subsequent modeling of its decay parameters according to Eyrings equation. In addition, a Gaussian Process Regression as a decay modeling approach as well as Survival Analysis as a time-to-failure approach were explored. Especially for case of non-monotonous acceleration functions both yielded an increased accuracy compared to typical physics-based modeling approaches.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In den letzten Jahrzehnten haben Licht-emittierende Dioden (LED) aufgrund ihrer flexiblen Steuerungsmöglichkeiten, ihrer hohen elektrooptischen Effizienz und ihrer außergewöhnlich hohen Lebensdauer den Markt für Allgemeinbeleuchtung weitestgehend besetzt. Mit der fortlaufenden Entwicklung neuer anwendungsspezifischer Leuchtstoffmaterialien werden auch zunehmend Nischenanwendungen besetzt. In einigen Anwendungsfällen ist die LED mehreren, oft erhöhten Umweltbelastungen wie Temperatur und Feuchtigkeit zugleich ausgesetzt. Ein Beispiel für eine solche Anwendung sind Beleuchtungszenarien im industriellen Agrar-Sektor jenseits der traditionellen Feldbewirtschaftung wie Gewächshäuser. Die Auswirkung von Feuchtigkeit auf die LED als solche wurde in bisherigen Studien jedoch nur spärlich untersucht, da überwiegend thermische und elektrische Stressbedingungen im Vordergrund standen. Insbesondere wurden nur sehr wenige Studien zu Licht-emittierenden Dioden der Mid-Power Leistungsklasse in PLCC-Gehäusebauform (Plastic-Leaded Chip Carrier) mit Hinblick auf den Einfluss von Luftfeuchtigkeit auf deren Zuverlässigkeit durchgeführt. Diese Situation spiegelt sich auch in den gängigen Normen und Methoden zum Testen und Berechnen der Bauteilzuverlässigkeit wieder. Daher ist die Untersuchung des Einflusses von Feuchtigkeit auf die Zuverlässigkeit von Mid-Power LEDs sowie die Modellierung dieses Einflusses der Hauptgegenstand dieser Arbeit. Im Verlauf dieser Arbeit wurde ein Experiment zur beschleunigten Degradation konzipiert und durchgeführt um tiefgehendere Erkenntnisse über die Rolle der Kombination von Umgebungs-temperatur, Betriebsstrom und Luftfeuchtigkeit als Stressparameter auf die Degradation der LED zu gewinnen. Dieses Experiment umfasst vier aktuelle, im Handel erhältliche LEDs, die jeweils 24 verschiedenen Temperatur-, Luftfeuchtigkeits- und Strombedingungen ausgesetzt wurden. Der aktuelle Zustand jeder LED wurde fortlaufend im Hinblick auf deren optische, elektrische und thermische Eigenschaften gemessen. Basierend auf den beobachteten Ergebnissen wird der Schluss gezogen, dass insbesondere das Eindringen von Feuchtigkeit die Zuverlässigkeit der Bauelemente stark beeinträchtigt, da sich die Verkapselung aufgrund von Scherkräften, welche durch hygroskopisches Aufquellen der Silikonverkapselung entstehen, von angrenzenden Teilen des Gehäuses löst. Dadurch können weiterführende Effekte wie das Anlaufen der reflektierenden Lead-Frame-Beschichtung oder die beschleunigte Auflösung beigemischter Leuchtstoffpartikel begünstigt auftreten. Hinsichtlich der Modellierung der beobachteten Degradationsverläufe wurden verschiedene kontinuierliche Degradationsfunktionen und ein segmentierter Degradationsansatz untersucht. Letzterer zeigte vielversprechende Ergebnisse, insbesondere, wenn die anschließende Modellierung der Beschleunigungsparemter durch die Eyrings-Gleichung berücksichtigt wird. Darüber hinaus wurden eine Gaußsche Prozessregression als Modellierungsansatz für die Degradationstrajektorie sowie die Survival-Analyse als Ansatz für die Modellierung der Lebensdauer untersucht. Insbesondere für nicht-monotone Beschleunigungsfunktionen konnten beide Methoden eine erhöhte Genauigkeit gegenüber gängigen physikalisch-basierten Modellierungsansätzen erzielen.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-264936
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 530 Physics
600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
600 Technology, medicine, applied sciences > 621.3 Electrical engineering, electronics
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Adaptive Lighting Systems and Visual Processing
Date Deposited: 09 Jan 2024 12:05
Last Modified: 10 Jan 2024 07:01
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/26493
PPN: 514555971
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