目前，LED技術(shù)日益走向成熟，其面世以來(lái)宣揚(yáng)的壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)一直是大眾關(guān)注的重點(diǎn)之一。但是從近些年看來(lái)，在LED生產(chǎn)和應(yīng)用當(dāng)中，我們還是碰到不少“死燈”現(xiàn)象。所謂死燈，又稱為滅燈，就是LED光源不亮。不管是生產(chǎn)還是應(yīng)用當(dāng)中產(chǎn)生的死燈，都是生產(chǎn)廠商十分頭疼的難題，既要面對(duì)產(chǎn)品不良帶來(lái)的損失，也影響了消費(fèi)者對(duì)LED產(chǎn)品的信心。因此，對(duì)一些常見的LED死燈原因進(jìn)行研究分析，有助于我們減少和預(yù)防LED產(chǎn)品失效現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生，保障產(chǎn)品質(zhì)量和提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也為企業(yè)技術(shù)改善和提升提供參考，從而為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。
香港科技大學(xué)佛山中心自2011年成立以來(lái)，積累不少死燈案例，總結(jié)下來(lái)，常見的LED死燈原因主要有以下幾種情況：
1. 焊線斷裂
對(duì)于“死燈”，首先我們應(yīng)確定LED是短路還是開路，如果是開路，我們一般會(huì)考慮LED燈內(nèi)部的焊線是否斷開。LED燈內(nèi)部的焊線斷開，導(dǎo)致LED沒(méi)有供電電壓，這是LED死燈的常見原因之一。焊線常見的斷開位置有5個(gè)地方，如圖1所示A、B、C、D、E點(diǎn)：
圖1 焊線斷開位置圖示
A點(diǎn)：芯片電極與金球結(jié)合處;
B點(diǎn)：金球與金線結(jié)合處即球頸處;
C點(diǎn)：焊線線弧所在范圍;
D點(diǎn)：支架二焊點(diǎn)與金線結(jié)合處;
E點(diǎn)：支架二焊點(diǎn)與支架鍍層結(jié)合處。
利用光學(xué)顯微鏡和電子掃描顯微鏡(SEM)對(duì)樣品進(jìn)行截面剖析或溶膠后可以檢查焊線斷裂的位置，有助于進(jìn)一步的原因分析。以下為大家提供的案例，焊線斷裂的位置以及斷裂的原因都不相同。
1.1 案例1
失效燈珠型號(hào)為5730。燈珠是經(jīng)過(guò)100循環(huán)冷熱沖擊試驗(yàn)后出現(xiàn)死燈的。對(duì)失效樣品進(jìn)行截面剖析后，發(fā)現(xiàn)失效樣品第一焊點(diǎn)和第二焊點(diǎn)位置周圍的硅膠有爆裂，第二焊點(diǎn)D點(diǎn)已經(jīng)斷開，如圖2～圖4所示。
圖2 失效樣品截面形貌
由于硅膠和金線的熱膨脹系數(shù)差異較大，在經(jīng)過(guò)100循環(huán)冷熱沖擊試驗(yàn)后，硅膠與金線在不斷地膨脹又收縮，而金線焊點(diǎn)折彎處就是應(yīng)力集中點(diǎn)，故最容易造成焊點(diǎn)周圍的硅膠爆裂，硅膠的開裂則導(dǎo)致焊線第二焊點(diǎn)最弱處D點(diǎn)斷開，最終樣品出現(xiàn)死燈。
1.2 案例2
失效燈珠型號(hào)為仿流明燈珠批燈珠在燈具上使用一段時(shí)間后出現(xiàn)死燈，點(diǎn)亮?xí)r燈具上每顆燈珠分配的電流大概為500 mA。首先，我們對(duì)其中一些失效樣品進(jìn)行溶膠后檢查發(fā)現(xiàn)，所有失效的燈珠都是4個(gè)第一焊點(diǎn)斷裂，而4個(gè)第二焊點(diǎn)都保持完好，如圖5～圖8所示。然后，我們又對(duì)失效樣品進(jìn)行截面分析，發(fā)現(xiàn)芯片正上方的硅膠出現(xiàn)爆裂，如圖9和圖10所示，其他區(qū)域的硅膠完好。
由于出現(xiàn)斷裂的4個(gè)第一焊點(diǎn)都是集中在芯片上方，保持完好的4個(gè)第二焊點(diǎn)是在支架上。說(shuō)明很可能是芯片上方的硅膠爆裂造成4個(gè)第一焊點(diǎn)的斷開，而且硅膠爆裂的位置主要集中在芯片，也即是熱源的正上方。另外，燈珠點(diǎn)亮?xí)r電流較大(500 mA)，可推測(cè)是芯片過(guò)熱造成芯片上方的硅膠爆裂。仔細(xì)檢查燈珠散熱路徑，發(fā)現(xiàn)燈珠芯片過(guò)熱很可能與燈珠底部熱沉采用導(dǎo)熱硅脂與PCB板貼合有關(guān)，對(duì)于這種大功率的燈珠導(dǎo)熱硅脂散熱效果不夠好。
2. 固晶層剝離
對(duì)于一些采用垂直芯片的LED燈珠來(lái)說(shuō)，固晶層底部與支架鍍層剝離是比較常見的死燈原因。
2.1 案例
失效樣品為直插式的LED燈珠，使用過(guò)程中出現(xiàn)死燈，不良率為1.5%。我們對(duì)失效樣品進(jìn)行截面檢查后發(fā)現(xiàn)，金線焊點(diǎn)均保持完好，如圖11～圖13所示。但發(fā)現(xiàn)固晶層與支架鍍層完全剝離，而且封裝膠與支架杯壁也出現(xiàn)剝離，如圖14所示。
由以上觀察到的現(xiàn)象可以判定，造成燈珠死燈的原因是封裝膠水與支架界面間出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，剝離程度和區(qū)域隨著使用過(guò)程加劇而擴(kuò)展，進(jìn)一步造成固晶膠與支架剝離，最終導(dǎo)致樣品出現(xiàn)死燈。也可能是封裝膠水粘接性不良造成封裝膠水與支架界面間出現(xiàn)分層。
3. 焊點(diǎn)燒毀
有些情況下，燈珠死燈不一定是燈珠本身的問(wèn)題，也有可能是使用的電源供電引起的。
3.1 案例
失效樣品是是仿流明LED燈珠，該LED燈珠使用一段時(shí)間后出現(xiàn)死燈。對(duì)多個(gè)失效燈珠溶膠后進(jìn)行檢查，均發(fā)現(xiàn)失效燈珠芯片2個(gè)P電極金線焊點(diǎn)和附近的電極圖形線路已經(jīng)燒毀，2個(gè)N電極金線焊點(diǎn)、電極圖形線路和支架上的4個(gè)第二焊點(diǎn)均保持完好，未發(fā)現(xiàn)有燒毀或斷裂的情況，如下圖15和圖16所示。
很明顯，芯片P電極燒毀是造成燈珠死燈的直接原因。那么，是什么原因?qū)е滦酒琍電極燒毀的呢?接下來(lái)，我們做了如下分析。
我們隨機(jī)選取了幾顆能夠正常點(diǎn)亮的燈珠樣品進(jìn)行模擬高電壓沖擊實(shí)驗(yàn)，對(duì)每顆燈珠單獨(dú)施加20 V瞬間高電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，高電壓沖擊后燈珠瞬間出現(xiàn)死燈，溶膠后檢查發(fā)現(xiàn)也是芯片上的P電極線路燒毀導(dǎo)致開路死燈，如圖17和圖18所示。
通過(guò)上述的檢查和驗(yàn)證試驗(yàn)，可以推斷造成客戶這批燈珠死燈的根本原因是燈珠使用過(guò)程中突波電流過(guò)大，因芯片P區(qū)的電阻值較N區(qū)高，當(dāng)電流集中通過(guò)P電極，P電極最先燒毀并導(dǎo)致開路死燈。燈珠使用過(guò)程中出現(xiàn)突波電流(或電壓)過(guò)大，很可能與燈具驅(qū)動(dòng)電源在啟動(dòng)或關(guān)閉時(shí)的突波電流有關(guān)，也有可能是芯片P電極打線有瑕疵，導(dǎo)致P電極焊點(diǎn)出現(xiàn)瞬間接觸不良情況，當(dāng)有多顆LED串聯(lián)時(shí)會(huì)累積高壓在接觸不良接點(diǎn)上引起瞬間高電流造成燈珠焊線燒毀及封膠燒黑。
4. 芯片受腐蝕
前面的死燈案例都是呈開路現(xiàn)象，下面為大家舉個(gè)短路死燈現(xiàn)象的案例。
4.1 案例
失效樣品為仿流明燈珠，燈珠老化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)這些燈珠出現(xiàn)死燈、暗光等不良情況。對(duì)不良品進(jìn)行溶膠后，檢查發(fā)現(xiàn)芯片電極較多區(qū)域出現(xiàn)受腐蝕和電極剝落的情況，如圖21和圖22所示。
利用X射線能譜儀(EDS)對(duì)芯片受腐蝕區(qū)域進(jìn)行元素分析，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)芯片電極受腐蝕區(qū)域含有較多的Na、Cl和K元素，如圖23和圖24所示。
根據(jù)元素的化學(xué)組成，推測(cè)芯片可能受到NaCl和KCl污染。當(dāng)熱與水汽共存時(shí)會(huì)腐蝕芯片電極，造成芯片電極金屬腐蝕及電極線路粘接力下降，甚至導(dǎo)致局部區(qū)域脫落。而電極溶解物的遷移會(huì)使芯片P、N電極短路導(dǎo)致芯片死燈。
總結(jié)
造成LED死燈的原因有很多，從封裝、應(yīng)用、到使用的各個(gè)環(huán)節(jié)都有可能出現(xiàn)死燈現(xiàn)象，以上提到的案例只是拋磚引玉。如何減少和杜絕死燈，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，是每個(gè)LED企業(yè)需要面對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)對(duì)LED死燈原因進(jìn)行分析，是我們減少和杜絕LED死燈的重要途徑之一，而對(duì)LED產(chǎn)品進(jìn)行失效分析，除了強(qiáng)大的設(shè)備硬件外，還需要具備芯片、封裝、應(yīng)用各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)作支撐，才能發(fā)揮設(shè)備的能力，為客戶排憂解難。
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