目前，LED技術(shù)日益走向成熟，其面世以來宣揚(yáng)的壽命長的優(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，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，既要面對產(chǎn)品不良帶來的損失，也影響了消費(fèi)者對LED產(chǎn)品的信心。因此，對一些常見的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)品競爭力，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，積累不少死燈案例，總結(jié)下來，常見的LED死燈原因主要有以下幾種情況：
1. 焊線斷裂
對于“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100循環(huán)冷熱沖擊試驗(yàn)后出現(xiàn)死燈的。對失效樣品進(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)，可推測是芯片過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
對于一些采用垂直芯片的LED燈珠來說，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，使用過程中出現(xiàn)死燈，不良率為1.5%。我們對失效樣品進(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，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程中突波電流過大，因芯片P區(qū)的電阻值較N區(qū)高，當(dāng)電流集中通過P電極，P電極最先燒毀并導(dǎo)致開路死燈。燈珠使用過程中出現(xiàn)突波電流(或電壓)過大，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，燈珠老化過程中發(fā)現(xiàn)這些燈珠出現(xiàn)死燈、暗光等不良情況。對不良品進(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)對芯片受腐蝕區(qū)域進(jìn)行元素分析，檢測發(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)需要面對的關(guān)鍵問題。通過對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。
香港科技大學(xué)佛山LED中心擁有豐富的測試經(jīng)驗(yàn)，需要更多信息請關(guān)注以下公眾號(hào)。
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