Reliabiltiy of devices and technologies for solid-state lighting

Il ruolo dei LED bianchi di potenza sta diventando, giorno dopo giorno, sempre più importante. L’affidabilità di questi dispositivi, paragonata a quella delle sorgenti di luce tradizionali, rappresenta uno dei fattori chiave per il loro sviluppo e la loro penetrazione nel mercato. E’ quindi di fondamentale importanza conoscere in modo approfondito i diversi meccanismi di degrado che possono influenzarne il funzionamento in termini di tempo di vita, caratteristiche cromatiche ed efficienza. Questa tesi riporta i risultati di un’attività di ricerca incentrata su alcune problematiche relative all’affidabilità di sistemi illuminazione allo stato solido. Dopo una panoramica iniziale sui concetti teorici necessari per comprendere appieno i risultati, in questa tesi possono essere indentificate tre diverse sezioni che presentano l’attività di ricerca del dottorato: • la prima parte riporta uno studio estensivo su uno dei più critici fenomeni di Electrical Over Stress (EOS), chiamato “Hot-Plugging”, che accade quando un modulo LED è direttamente connesso ad un driver LED precedentemente alimentato e può generare picchi di corrente fino ad alcune decine di ampere, che possono potenzialmente distruggere o danneggiare i LED. Lo scopo di questa sezione è analizzare, per la prima volta, la natura dei picchi di corrente generati durante l’“hot-plugging” e proporre un modello semplificato per spiegare il fenomeno. Lo studio è basato sulla misura dei transienti elettrici, svolta su diversi moduli LED (scelti tra diversi produttori), connessi a tre diversi tipi di alimentatori. I risultati rivelano che l’ampiezza e le costanti di tempo dei picchi di corrente sono direttamente determinate dal numero di LED connessi in serie e dalla capacità di uscita dell’alimentatori; • la seconda parte presenta un completo studio sugli effetti delle scariche elettrostatiche (ESD) su LED al Nitruro di Gallio (GaN), basato su misure elettriche e ottiche svolte durante l’evento ESD. Le scariche elettrostatiche sono state simulate tramite un Transmission Line Pulser (TLP) che genera impulsi di tensione con una durata di 100 ns e ampiezza crescente: durante ciascun impulso sono state svolte misure di elettroluminescenza grazie ad una camera EMCCD (Electon Multiplying Charge Coupled Device) ad alta velocità. Queste misure permettono di identificare la regione del chip dove la scarica è localizzata e i cambiamenti nell’area danneggiata indotti da eventi ESD consecutivi. Inoltre, le forme d’onda di corrente e tensione ai terminali del LED sono state monitorate durante i test; tale analisi fornisce importanti informazioni circa le modifiche di impedenza dei dispositivi. L’analisi è stata svolta su diversi tipi di LED commerciali a media potenza con alcune differenze nelle tecnologie di fabbricazione. Grazie a questi test sono stati indentificati due differenti comportamenti di failure durante eventi ESD distruttivi, chiaramente correlati ai diversi difetti nel cristallo del semiconduttore e alla struttura del chip; • l’ultima sezione riporta uno studio sulla stabilità termica di piastre di “fosfori remoti” usate in sistemi di illuminazione allo stato solido per convertire la luce blu generata dai LED in luce bianca. Una caratterizzazione termica preliminare rivela che, in normali condizioni operative sotto illuminazione a luce blu, la piastra di fosfori può raggiungere temperature fino a 60°C, che possono influenzarne sia le performance che l’affidabilità. I risultati di stress termici accelerati indica che alti livelli di temperatura possono condurre ad un rilevante meccanismo di degrado (l’energia di attivazione stimata è 1.2 eV), che riduce drasticamente l’efficienza di conversione fosforosa e modifica le caratteristiche fotometriche e colorimetriche della luce bianca emessa.