LED失效分析
2015-07-03 瀏覽量：4489
1. 引言
該LED射燈在客戶端短期使用，出現(xiàn)比較嚴(yán)重的死燈、暗亮、閃爍等失效現(xiàn)象，經(jīng)初步分析為內(nèi)部線路接觸不良所致。為查找導(dǎo)致線路接觸不良的根本原因，改善產(chǎn)品質(zhì)量，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行失效分析。
2. 試驗(yàn)與結(jié)果
2.1 外觀檢查
圖1為客戶提供樣品的典型照片，產(chǎn)品具體電學(xué)光學(xué)指標(biāo)為6W/ (220~240)VAC/ (50/60)Hz/ 2700K，外觀檢查均未發(fā)現(xiàn)明顯異常。
2.2通電測(cè)試
如圖2所示，利用客戶提供的LED燈具測(cè)試板對(duì)其提供的樣品進(jìn)行通電測(cè)試，點(diǎn)亮老化1小時(shí)，其中失效樣品均出現(xiàn)死燈、暗亮、閃爍燈異常，正常樣品正常點(diǎn)亮。對(duì)LED燈具進(jìn)行制樣過程中及制樣后（見圖3、4），利用直流電源對(duì)LED兩端加12V、限制40mA上限電流進(jìn)行通電測(cè)試，發(fā)現(xiàn)失效燈珠均有異常，正常燈珠正常點(diǎn)亮。通電測(cè)試時(shí)，對(duì)部分失效LED燈珠按壓時(shí)，死燈LED燈珠能短暫恢復(fù)點(diǎn)亮。
2.3 X-Ray透視檢查
對(duì)失效LED燈珠進(jìn)行X-Ray透視檢查，可以發(fā)現(xiàn)燈珠內(nèi)部存在鍵合引線斷開、不規(guī)則彎曲等現(xiàn)象。
2.4 顯微檢查
將失效樣品開封，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)燈珠內(nèi)部鍵合引線幾乎全部斷裂，斷裂部位集中于B點(diǎn)和D點(diǎn)，少量位于C點(diǎn)（見圖7）。
需要注意的是，金線來料組織異常、焊線參數(shù)不匹配都會(huì)對(duì)焊線可靠性產(chǎn)生不利影響，但這些不良均不至于導(dǎo)致鍵合引線如此大面積的斷裂。導(dǎo)致這種失效現(xiàn)象的根本原因只可能是使用過程中LED燈珠內(nèi)應(yīng)力過大，輔之以上種種不良，才會(huì)導(dǎo)致大規(guī)模斷線。
導(dǎo)致燈珠內(nèi)應(yīng)力過大的原因有三個(gè)：超功率使用，一般表現(xiàn)為過電流；散熱不良，熱阻較大；燈珠材料熱膨脹系數(shù)失配。
2.5 射燈電源輸出功率測(cè)試
該LED射燈的使用電壓為(220~240)VAC，將外部電源的輸出電壓分別設(shè)置為220V和240V，測(cè)試LED射燈電源的輸出電流和電壓，測(cè)試結(jié)果見圖8和圖9。兩者均小于LED燈珠的最大額定參數(shù)，射燈電源設(shè)計(jì)符合LED燈珠的使用條件。
2.6 熱學(xué)測(cè)試
利用T3Ster熱瞬態(tài)測(cè)試儀測(cè)試LED燈珠自身的熱阻，測(cè)試條件為：室溫25℃；輸入電流300mA。測(cè)試結(jié)果如圖10所示，此款COB形式的LED燈珠熱阻很小，散熱效果良好。
為了測(cè)試LED射燈正常使用條件下的溫度分布，利用紅外熱像儀對(duì)LED射燈進(jìn)行掃描，掃描結(jié)果如圖11所示, 推測(cè)實(shí)際使用過程中LED燈珠內(nèi)部的結(jié)溫應(yīng)該處于100℃左右，幾乎可以滿足LED芯片的正常使用。值得一提的是，LED燈珠與底座之間的界面熱阻較大，不利于熱的傳導(dǎo)。
2.7 CTE匹配度測(cè)試
取5pcs正常燈珠進(jìn)行冷熱沖擊試驗(yàn)，將測(cè)試之后的LED燈珠點(diǎn)亮老化10分鐘，發(fā)現(xiàn)5顆樣品中有4顆出現(xiàn)死燈、閃爍等異常現(xiàn)象，說明此款LED燈珠本身的熱膨脹系數(shù)匹配程度較差，無法承受正常使用條件下的高溫。
3. 理論分析
焊線制程引入的不良不是導(dǎo)致鍵合引線大面積斷裂的主因，導(dǎo)致這種失效現(xiàn)象的根本原因只可能是使用過程中LED燈珠內(nèi)應(yīng)力過大，輔之以上種種不良，才會(huì)導(dǎo)致大規(guī)模斷線。導(dǎo)致燈珠內(nèi)應(yīng)力過大的原因有三個(gè)：(1)超功率使用，一般表現(xiàn)為過電流；(2)散熱不良，熱阻較大；(3)燈珠材料熱膨脹系數(shù)失配。
（1）對(duì)LED射燈恒流電源進(jìn)行功率檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該電源參數(shù)（輸出功率、輸出電流）遠(yuǎn)小于LED燈珠的最大額定參數(shù)，射燈電源設(shè)計(jì)符合LED燈珠的使用條件。
（2）LED燈珠本身的熱阻極小，燈具正常使用條件下的芯片結(jié)溫約為100℃，溫度略高，幾乎可以滿足芯片的正常使用。
（3）LED燈珠材料間的熱膨脹系數(shù)差異較大，導(dǎo)致溫變過程中的內(nèi)應(yīng)力較大，即LED燈珠本身的耐熱性能并不理想。
由以上分析可知，內(nèi)應(yīng)力主要來自于材料CTE不匹配，此款燈珠耐熱性較差，所以在不改變?cè)O(shè)計(jì)的前提條件下，該LED燈珠并不適用于此款LED射燈。
4. 結(jié)論
LED射燈出現(xiàn)異常的根本原因在于，正常使用條件下的LED燈珠內(nèi)應(yīng)力過大，造成燈珠內(nèi)部鍵合引線大面積斷裂。LED燈珠材料間的熱膨脹系數(shù)失配是導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力過大的主要原因。建議選擇耐高溫的LED燈珠，或優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小界面熱阻，提高燈具散熱性能。
5. 參考標(biāo)準(zhǔn)
［1］GJB 548B-2005 方法5003 微電路的失效分析程序
作者簡介：
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