Исследование и разработка методов повышения качества, надежности и радиационной стойкости светодиодных модулей

В 20 в. существовало два основных вида источников света — лампы накаливания и газоразрядные лампы, среди которых главное место занимают люминесцентные лампы. В быту традиционно наиболее распространены лампы накаливания мощностью от 15 до 300 Вт.

Эффективность ламп накаливания не превышает 5%, т.к. основная электрическая мощность затрачивается на тепло. Срок службы ламп накаливания не превышает 1,5 тыс. часов.

Люминесцентные лампы, хотя и эффективнее ламп накаливания почти в 6 раз, используются в освещении жилых помещений не так широко, как лампы накаливания, по причине неадекватной восприимчивости света человеческим глазом и дороговизны. Галогенные лампы могут составить конкуренцию лампам накаливания, однако, массовое их использование ограничено рядом причин, в том числе и высокой ценой.

Люминесцентные лампы применяются для освещения общественных и производственных помещений, таких, как медицинские, образовательные учреждения, вокзалы, учреждения, цеха и т. д.

К достоинствам люминесцентных ламп относятся:

• высокая световая отдача (до 80 лм/Вт);

• большая долговечность, чем у ламп накаливания (до 10 000 час.). Недостатками люминесцентных ламп являются:

• относительная громоздкость;

• необходимость в специальном пускорегулирующем устройстве (стартере и дросселе);

• чувствительность к температуре окружающего воздуха (при температуре ниже +10°С лампа может не зажечься);

• наличие стробоскопического эффекта, что нарушает правильность восприятия скорости движения предметов и вызывает неприятные ощущения;

• при неправильном включении (без защитных конденсаторов в пускоре-гулирующем устройстве) люминесцентные лампы становятся источниками помех для радиоприемников и телевизоров;

• содержание ртути в стеклянном баллоне требует обязательной дорогостоящей утилизации и резко ухудшает экологию при случайном нарушении герметизации.

Во второй половине XX века появляются принципиально новые источники света, основанные на использовании излучательной рекомбинации в электронно-дырочном переходе на основе широкозонных полупроводников.

В 2001;2006 годах произошел революционный сдвиг в улучшении параметров гетероструктур, применяемых в светодиодах (СД). Разработаны кристаллы нового поколения на основе гетероструктур нитрида индия галлия 1пОаМ и фосфида алюминия индия галлия АИпОаР и их твердых растворов красного, желтого, зеленого и синего цветов свечения с внешним квантовым выходом, достигающем 65%. Это позволило начать производство СД с применением их не только в качестве индикаторов, но также в светосигнальной аппаратуре и информационных системах. В настоящий момент активно развивается сфера применения СД в системах освещения.

Современные полупроводниковые светоизлучающие диоды характеризуются большой силой света вследствие высокой эффективности преобразования электрической энергии в световуюсовместимостью по входным параметрам с транзисторными микросхемами, а по спектру излучения диодов инфракрасного диапазона с фотоприёмниками на основе кремниявысоким быстродействиемнадёжностью и большим сроком службы. Вследствие этого они имеют обширные и многообразные области применения. Отметим наиболее значимые:

• автодорожные светофоры;

• железнодорожные светофоры;

• средства навигационной обстановки;

• стоп-сигналы для автомобилей;

• габаритные и бортовые огни;

• сигнальные вспышки;

• текстовые информационные табло;

• полноцветные экраны с высоким разрешением;

• многоцветные экраны с высоким разрешением;

• индикаторы специального применения;

• медицинские приборы;

• прожекторы.

В области освещения они применяются для:

• аварийного освещения;

• в переносных малогабаритных фонарях;

• освещения в условиях взрывоопасности (шахтах, подводных лодках и т. д.);

• антивандального освещения;

• офисного освещения;

• уличного освещения;

• бытового освещения;

• освещения тоннелей;

• медицинского освещения;

• архитектурно-художественной подсветки;

• подсветки ЖК дисплеев в мобильных телефонах и ТУ мониторах;

• подводного освещения;

• в шоу-бизнесе.

Анализ преимуществ и недостатков ламп накаливания, люминесцентных ламп и светодиодов, а также областей применения последних, позволяет систематизировать результаты по базовым характеристикам, которые приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Сравнение различных типов источников освещения по базовым характеристикам.

Тип лампы Стоимость Расходы за период эксплуатации Срок службы, час. Яркость Инфракрасное излучение уф. излучение.

Лампа накаливания Низкая Очень высокие 1 ООО Средняя Очень высокое Приемлемое.

Лампа люминесцентная Высокая Приемлемые 10 000 Низкая Минимальное Очень высокое.

Лампа светодиодная Очень высокая Низкие Более 100 000 Высокая Нет Нет.

В рейтинге различных источников освещения светодиоды занимают первое место (табл. 2).

Таблица 2.

Рейтинг различных источников освещения.

Начальная стоимость Расходы за период эксплуатации Жизненный цикл лампы Яркость Инфракрасное излучение УФ излучение.

Лучшие Лампы накаливания • Светодиодные лампы Светодиодные лампы Светодиодные лампы Светодиодные лампы Светодиодные лампы.

Средние Люминесцентные лампы Люминесцентные лампы Люминесцентные лампы Лампы накаливания лампы Люминесцентные лампы Лампы накаливания.

Худшие Светодиодные лампы Лампы накаливания Лампы накаливания Люминесцентные лампы Лампы накаливания Люминесцентные лампы.

Основными преимуществами СД над остальными источниками света являются:

• высокая световая отдача, которая в настоящее время превышает 100 лм/Вт и постоянно растет;

• надежность и большой срок службы, достигающий 100 ООО часов;

• близкое к монохроматическому излучение, которое имеет широкий спектр цветов. Это позволяет использовать СД в различных устройствах без применения светофильтров;

• высокая устойчивость СД к механическим воздействиям и работоспособность в широком диапазоне температур;

• высокая устойчивость к действию проникающей радиации. Единственным недостатком, по-видимому, временным, является относительно высокая стоимость полупроводниковых ламп.

Актуальность темы

.

В настоящее время происходит интенсивная замена традиционных источников освещения, индикации и сигнализации (ламп накаливания, люминесцентных и галогенных ламп) на более эффективные, долговечные, экологически чистые полупроводниковые лампы. Быстрыми темпами происходит рост объемов выпуска дискретных СД различных типономиналов.

Однако разработка и организация промышленного выпуска полупроводниковых источников освещения путем объединения в одном корпусе большого числа дискретных СД представляет собой не простую задачу. Для создания полупроводникового аналога лампы накаливания требуется 5−6 СД. При этом резко ухудшаются электрические и светотехнические характеристики изделия, возникают сложности сборки, получения однородного излучения в заданном телесном угле, эффективного отвода тепла.

Вследствие этого возникают проблемы универсальной технологии изготовления светодиодных модулей для различных устройств — в простейшем случае ламп накаливания, люминесцентных и галогенных ламп. Технология должна быть гибкой- (ТАЛ и ГАП), легко перестраиваемой в течение 1−2 месяцев на выпуск широкой номенклатуры изделий по требованию заказчика.

Технология должна обеспечивать выпуск светоизлучающих приборов двойного назначения: гражданского и спецприменения (в космической и бортовой аппаратуре, а также ядерной электронике).

Для этого готовые изделия должны выдерживать с допустимым, весьма малым, количеством катастрофических отказов жесткие механические и климатические испытания в рамках стандарта, приближенного к М1Ь8−883. Проведение таких испытаний и корректировка по их результатам технологического процесса является весьма актуальной задачей. Следует отметить, что традиционные источники освещения, содержащие нити накаливания, стеклянные баллоны и т. д., такие испытания не выдерживают.

Также актуальной представляется задача оценки временной стабильности путем проведения life time испытаний СД с различными гетерострукту-рами, с одной и несколькими квантовыми ямами, на подложке из сапфира, карбида кремния, медного сплава, излучающих в синей и УФ области спектра, а также фотолюминофора различного состава, легированного различными примесями.

Светодиодные модули, применяемые в спецаппаратуре, должны соответствовать определенной группе стойкости. Поэтому актуальной задачей является проведение испытаний по воздействию нейтронного и гамма облучения на электрические и светотехнические параметры и характеристики.

Таким образом, актуальность определяется разработкой универсальной гибкой технологии изготовления различных типономиналов светодиодных модулей, оценкой их надежности и радиоактивной стойкости.

Цель работы.

Целью работы является разработка инновационной универсальной chip-on-board технологии создания эффективных, мощных источников освещения нескольких типономиналов, излучающих в телесном угле от 3° до стерадиан, обладающих высокой надежностью и радиационной стойкостью.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• провести анализ основных методов получения источников освещения белого цвета;

• сформулировать условия использования в chip-on-board (чип на плоскости) технологии AlInGaP и AlInGaN гетероструктур на подложках из сапфира, фосфида галлия, карбида кремния, медного сплава с одной и множественными (4−5) квантовыми ямами различных ведущих отечественных и зарубежных производителей;

• для изготовления источников освещения белого цвета теплых и холодных тонов с цветовой температурой 3000−6000К с повышенной временной и радиационной стабильностью исследовать фотолюминофоры на основе алюмо-иттриевого граната (YAG) с различным соотношением компонент (иттрия и гадолиния, алюминия и галлия) и оптимальным содержанием активаторов — редкоземельных элементов;

• провести анализ свойств различных типов многослойных печатных плат с целью обоснования выбора платы на алюминиевом основании повышенной теплопроводности (за счет диэлектрика) с тонким подслоем меди, обладающей минимальным «послесвечением» после нейтронного облучения (для светодиодных модулей гражданского и специального применения);

• разработать усовершенствованную математическую модель AlInGaP и AlInGaN гетероструктур, содержащих одну или несколько квантовых ям, один или два гетероперехода и компенсированный слой и определить на основе данной модели люмен-амперные характеристики для основных участков вольт-амперной характеристики;

• разработать методики проведения механических, климатических испытаний и испытаний на длительную наработку и оценить надежность светодиодов и светодиодных модулей по результатам испытаний;

• оценить цветовую стабильность светодиодов и модулей при испытаниях на длительную наработку;

• определить радиационную стойкость светодиодов и модулей по результатам исследования влияния проникающей радиации (нейтронов, электронов и гамма квантов) на электрические и светотехнические характеристики светодиодов с красным, зеленым, синим и «белым» цветом свечения.

Научная новизна:

• исследование распределения концентрации заряженных центров в активной области показало, что АНпваР и АПпСаИ гетеропереходы имеют р-п (р)-р-структуру (с высокоомной областью), независимо от того с одной квантовой ямой создавались гетероструктуры или с множественными (4−5) квантовыми ямами;

• основным механизмом переноса электрического тока и возбуждения электролюминесценции в исследованных гетероструктурах является двойная инжекция, а экспериментальные вольт-амперные характеристики (ВАХ) как до, так и после облучения находят естественное объяснение в рамках диффузионных и (или) дрейфовых теорий двойной инжекции Холла, Клайнмена, Рашба-Толпыго, Параментера-Руппеля, Ламперта-Роуза и др. исследователей;

• используя усовершенствованную в данной работе математическую модель р-п*-п-гетероструктуры, получены аналитические зависимости силы света от тока, напряжения и электрофизических параметров материала оптически активной области для основных участков ВАХ;

• произведена оценка константы снижения силы света (тоКх), являющейся количественным критерием радиационной стойкости, на основе анализа изменения вольт-люмен-амперных характеристик при облучении нейтронами, электронами и гамма квантами гетероструктур на основе AlInGaP и AlInGaN и СД всех основных цветов, включая «белый»;

• выявлены основные причины цветовой нестабильности «белых» СД и модулей при испытаниях на длительную наработку. Практическая значимость работы:

• элементы конструкции и технологии нового поколения светоизлучаю-щих модулей внедрены с техпроцесс в ЗАО «ПОЛА+» и технологическую документацию;

• результаты механических, климатических и life time испытаний позволили внести коррективы в конструкцию и технологический процесс, в частности, позволили устранить цветовую нестабильность «белых» СД при life time испытаниях.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Инновационные технологии в науке, технике и образовании»: Кемер (Турция) — 16−23 октября 2007 г., Хаммамет (Тунис) — 12−19 октября 2008 г., Таба (Египет) -14−21 ноября 2009 г. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 4 в журналах, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведен анализ преимуществ и недостатков различных методов получения источников освещения «белого» цвета: по 1ШВ-технологии и путем смешивания синего или УФ излучения 1пОа]М-гетер о структуры и желто-зеленой полосы ФЛ алюмо-иттриевого граната.

2. Для создания эффективных, мощных, надежных, радиационно-стойких светодиодов и светодиодных модулей выбрана и модернизирована 1п-ваК/АлаМ гетероструктура размером 1520×1520 мкм, в которой для улучшения теплоотвода сапфировая подложка заменена медным основанием, для повышения выхода излучения использовано отражающее покрытие на основе соединений серебра со стороны омического контакта, лицевая поверхность ткстурирована и использованы сетчатые омические контакты.

3. Исследование фотолюминофоров на основе алюмо-иттриевого граната с различным соотношением компонент (иттрия и гадолиния, алюминия и галлия) с редкоземельными активаторами (церием и празеодимом) позволили разработать источники освещения с заданной цветовой температурой в пределах 3000−6000К и повышенной цветовой стабильностью.

4. Экспериментальные ВАХ АПпваР и АПпОаЫ гетероструктур, состоящие из двух участков: I = 18 ехр (е11/ |ЗкТ) и I = В (и — иК)" получили естественное объяснение в рамках классических диффузионных и дрейфовых теорий двойной инжекции Холла, Клайнмена, Рашба-Толпыго,.

Параментера-Руппеля и др. исследователей, что позволило разработать математическую модель светоизлучающей р-п*-п-гетероструктуры и вывести на ее основе расчетные зависимости силы света от тока, напряжения и электрофизических параметров материала оптически активной области.

5. Разработаны методики механических, климатических и life time испытаний на основе стандарта MIL-STD 883 ref (CILIA), проведены испытания по разработанным методикам, которые показали высокую надежность изделий и возможность их использования как в гражданской, так и в бортовой аппаратуре.

6. Исследование цветовой стабильности источников «белого» цвета с люминофором показало, что при испытаниях на длительную наработку происходит изменение координат цветности вследствие сдвига максимума спектральной кривой в синюю область спектра, что связано с различной степенью деградации силы света гетероструктуры и люминофора в ходе наработки. Предложены технологические методы и режимы токовой тренировки для устранения цветовой нестабильности.

7. Исследование воздействия проникающей радиации: нейтронов, электронов и гамма квантов на СД и светодиодные модули трех основных цветов: красного ®, зеленого (G) и синего (В), применяемых в космо-цветных СД и источниках белого света, показали высокую радиационную стойкость InGaN гетероструктур и люминофора при относительно небольшой стойкости AlInGaP гетероструктур.

8. Расчетные и экспериментальные вольт-амперные и люмен-амперные характеристики, полученные при различных флуенсах нейтронного облучения, позволили оценить величину произведения (тоКт): (2,4±0,5>10″ 14 см2/н для красных, (3,8±2,1>10'15 см2/н для зеленых (01), (0,7±0,1)-10″ 16 см2/н для синих, которая является количественным критерием радиационной стойкости.

9. Оценка воздействия нейтронного и электронного облучения раздельно на гетероструктуру и фотолюминофор, проведенная путем одновременного облучения «белых» и синих СД одинаковой конструкции, показала относительно более высокую радиационную стойкость люминофора. По стойкости гетероструктуры на медном основании уступали чипам на сапфире и карбиде кремния, по-видимому, вследствие «послесвечения» меди после облучения.

10.На основании проведенных исследований разработаны и освоены в промышленности методы повышения качества, надежности и радиационной стойкости светодиодных модулей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.