电话:400-888-8888

新闻动态

【武汉夜生活论坛】最全的LED灯失效分析

文章来源:未知时间:2021-02-02 点击:
在武汉,每逢节假日,最吸引你的是演绎山海人文的灯光秀还是高科技满分的无人机表演呢?除了浓厚的爱国情怀之外,还有美轮美奂的灯光秀供市民观赏,不得不说,很有创意和想法,但是武汉夜生活论坛小编今日想说的不是这个美景。

而是这个美景的幕后功臣--------------“LED”。

一个与我们日常息相关的电子器件!

LED(Light emitting diodes)作为第四代绿色照明,因其光电转化效率高,节能以及寿命高等一系列优点而被广泛使用。各地辉煌的夜景、美轮美奂的灯光节,LED是当之无愧的主角。

目前,LED技术日益走向成熟,LED照明和背光技术在近十几年已经取得了显著的进步,作为公认的新型绿色光源,LED光源已出现在传统照明等领域,但LED光源尚存在很多没有解决的问题。

一直以来所宣扬的寿命长的优点是大众关注的重点之一。但从近些年看来,在LED生产和应用当中,我们还是碰到不少失效现象。其中包括一致性较差、成本较高和可靠性差等,其中最主要的问题就是稳定性和可靠性问题。虽然目前预测LED光源的寿命超过5万小时。但这个寿命指的是理论寿命,光源在25℃下的使用寿命。在实际使用过程中,会遇到高温、高湿等恶劣环境,放大LED光源缺陷,加速材料老化,使LED光源快速失效。

因此,对一些常见的LED失效原因进行研究分析,有助于减少和预防LED产品失效现象重复发生,保障产品质量和提高产品竞争力,同时也为企业技术改善和提升提供参考,从而为企业创造更大的经济效益。

本文介绍了常见的LED失效原因主要有以下几种情况:

1芯片缺陷

失效LED表现为正向压降 ( Vf ) 增大。电测过程中发现,其正向压降增大,并且随着正向电压的增加,样品仍能发光。推测LED内部存在电连接不良。固封、研磨LED样品后,SEM观察到金属化层从LED芯片上开裂,而不是键合丝与金属化层之间开裂。

这说明样品正向压降的增大是由于芯片与其负极金属化层之间开裂导致。可能原因是在淀积金属化之前,氧化层受到玷污,或者水汽控制不佳,导致金属化层与其下的氧化层之间粘附不良。这种失效属于芯片本身制程工艺过程存在缺陷,而与封装工艺无关。

2LED芯片腐蚀

当LED芯片表面受到粘污,往往会在LED电极之间引入较大的漏电流。这种漏电流一般能够通过环境试验进行验证:在烘烤后会有减小趋势,进行潮热试验漏电流又能恢复。图2就是在将LED样品表面的透明灌封料减薄后,观察到LED芯片上有黑色多余物。将芯片开封出来后进行扫描电子显微镜分析,发光二极管内键合点表面与键合区的黑色附着物为腐蚀生成物,含有异常元素Na和Cl。

案例分析

失效样品为仿流明灯珠,灯珠老化过程中发现这些灯珠出现死灯、暗光等不良情况。对不良品进行溶胶后,检查发现芯片电极较多区域出现受腐蚀和电极剥落的情况,如图21和图22所示。

利用X射线能谱仪(EDS)对芯片受腐蚀区域进行元素分析,检测发现芯片电极受腐蚀区域含有较多的Na、Cl和K元素,如图23和图24所示。

根据元素的化学组成,推测芯片可能受到NaCl和KCl污染。当热与水汽共存时会腐蚀芯片电极,造成芯片电极金属腐蚀及电极线路粘接力下降,甚至导致局部区域脱落。而电极溶解物的迁移会使芯片P、N电极短路导致芯片死灯。

3封装结构设计不当

LED芯片成分有InGaN, AlInGaP和ZnSe等半导体材料,这些材料往往比Si芯片更薄、更脆。若封装设计不当,导致内部存在残存应力,这些应力的存在就可能导致器件芯片开裂、功能退化等可靠性问题。

分析的案例也是LED样品上板后出现大批量的失效。对LED样品进行失效分析发现: 所有发光二极管的芯片都存在有裂纹,并且裂纹位置相同:都位于芯片的右边区域,即靠近阳极引出片右边缘。裂纹贯穿PN结,裂纹处PN耐压严重下降,而且,在潮湿的环境下,PN结处裂纹漏电增大。裂纹的产生与机械应力有关。

结合样品的失效信息以及芯片的基板结构、芯片的电连接方式 ( 凸点倒装焊接, 而非通常的金丝焊接) ,分析LED芯片开裂的原因是:机械应力在LED芯片的两个电极之间形成相对的剪切力,通过凸点直接作用到LED芯片上,导致薄且脆的LED芯片受力开裂。机械应力的产生与热变应力有关。

对于这种失效机理,应对器件的封装进行改进,比如在芯片与基板之间添加填充料,为芯片提供机械支撑,以及调和基板、铜引出片、芯片之间的热膨胀系数差异导致的机械应力; 改进铜引出片的形状以减小热膨胀导致的机械应力。

4LED焊线断裂

首先应确定LED是短路还是开路,如果是开路,我们一般会考虑LED灯内部的焊线是否断开。LED灯内部的焊线断开,导致LED没有供电电压,这是LED死灯的常见原因之一。焊线常见的断开位置有5个地方,如下图所示A、B、C、D、E点:

A点:芯片电极与金球结合处;

B点:金球与金线结合处即球颈处;

C点:焊线线弧所在范围;

D点:支架二焊点与金线结合处;

E点:支架二焊点与支架镀层结合处。

利用光学显微镜和电子扫描显微镜(SEM)对样品进行截面剖析或溶胶后可以检查焊线断裂的位置,有助于进一步的原因分析。

案例分析

失效灯珠型号为5730。灯珠是经过100cycles循环冷热冲击试验后出现失效的。对失效样品进行截面剖析后,发现失效样品第一焊点和第二焊点位置周围的硅胶有爆裂,第二焊点D点已经断开,如下图所示。

由于硅胶和金线的热膨胀系数差异较大,在经过100cycles冷热冲击试验后,硅胶与金线在不断地膨胀又收缩,而金线焊点折弯处就是应力集中点,故最容易造成焊点周围的硅胶爆裂,硅胶的开裂则导致焊线第二焊点最弱处D点断开,最终样品出现失效现象。

5LED固晶层剥离
对于一些采用垂直芯片的LED灯珠来说,固晶层底部与支架镀层剥离是比较常见的失效原因。

案例分析

失效样品为直插式的LED灯珠,使用过程中出现死灯,不良率为1.5%。对失效样品进行截面检查后发现,金线焊点均保持完好。但发现固晶层与支架镀层完全剥离,而且封装胶与支架杯壁也出现剥离。

由以上观察到的现象可以判定,造成灯珠失效的原因是封装胶水与支架界面间出现剥离现象,剥离程度和区域随着使用过程加剧而扩展,进一步造成固晶胶与支架剥离,最终导致样品出现失效。也可能是封装胶水粘接性不良造成封装胶水与支架界面间出现分层。

6焊点烧毁

有些情况下,不一定是灯珠本身的问题,也有可能是使用的电源供电引起的。

案例分析

失效样品是是仿流明LED灯珠,该LED灯珠使用一段时间后出现死灯。对多个失效灯珠溶胶后进行检查,均发现失效灯珠芯片2个P电极金线焊点和附近的电极图形线路已经烧毁,2个N电极金线焊点、电极图形线路和支架上的4个第二焊点均保持完好,未发现有烧毁或断裂的情况。

很明显,芯片P电极烧毁是造成灯珠失效的直接原因。随机选取了几颗能够正常点亮的灯珠样品进行模拟高电压冲击实验,对每颗灯珠单独施加20V瞬间高电压。实验结果显示,高电压冲击后灯珠瞬间出现死灯,溶胶后检查发现也是芯片上的P电极线路烧毁导致开路。

通过上述的检查和验证试验,可以推断造成这批灯珠失效的根本原因是灯珠使用过程中突波电流过大,因芯片P区的电阻值较N区高,当电流集中通过P电极,P电极最先烧毁并导致开路。

灯珠使用过程中出现突波电流(或电压)过大,很可能与灯具驱动电源在启动或关闭时的突波电流有关,也有可能是芯片P电极打线有瑕疵,导致P电极焊点出现瞬间接触不良情况,当有多颗LED串联时会累积高压在接触不良接点上引起瞬间高电流造成灯珠焊线烧毁及封胶烧黑。

总结

造成LED失效的原因有很多,从封装、应用、到使用的各个环节都有可能出现失效现象,以上提到的原因及案例只是其中常见的几点。如何减少和杜绝LED灯失效,提高产品质量和可靠性,是每个LED企业需要面对的关键问题。

通过对LED灯的失效原因进行分析,是减少和杜绝LED失效的重要途径之一,而对LED产品进行失效分析,除了强大的设备硬件外,还需要具备芯片、封装、应用各个环节的生产经验作支撑,才能发挥设备的能力,为客户排忧解难。
首页
电话
联系