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LED发光失效分析--美信检测 失效分析实验室
摘要：
本文通过排除法，确认LED灯珠发光失效不是LED灯珠本身质量所致。
关键词：
LED 发光二极管发光失效 失效分析
1. 案例背景
样品为三色（红色/绿色/蓝色）LED模组，在通电测试过程中发现红光全亮，绿光全亮，但蓝光部分区域不亮
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2.分析方法简述
对NG灯珠和OK灯珠进行透视检查，检查的重点为焊点和LED灯珠内部绑定点。通过X-ray透视检查可知，失效区域的灯珠和正常区域的灯珠未见明显差别，均未出现异常。LED引脚焊接良好，焊点内部未见较大气泡；灯珠内部绑定点完整，引线形状规则，未见引线断裂等异常现象。
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图2.LED灯珠X射线透视照片
样品正常区域和失效区域开封后观察，绑定点完整，金引线形状规则，未见断裂、绑定点脱落等异常；芯片完好，未见明显裂纹，芯片上存在的异物经成分分析判定为 开封过程中的残留物。失效区域的灯珠与正常区域的灯珠未见明显差别，结构一致，开封后的现象相同，未找到明显失效现象。
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图3.LED开封后SEM照片
对样品失效区域灯珠剖面观察，LED灯珠内部绑定点界面良好，未发现焊点脱落等异常；绑定点各部分成分正常，灯珠与PCB板的连接良好，未发现裂纹、虚焊、气泡等焊接问题。
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图4. 失效区域绑定点SEM图片
3.失效模式分析
LED失效模式主要有：晶片失效、封装失效、热应力失效、机械应力失效、电过应力失效及键合失效。
1）晶片失效：
晶 片失效是指晶片本身失效或其它原因造成晶片失效。造成这种失效的原因往往有很多种：晶片裂纹是由于键合工艺条件不合适，造成较大的应力，随着热量积累所产 生的热机械应力也随之加强，导致晶片产生微裂纹，工作时注入的电流会进一步加剧微裂纹使之不断扩大，直至完全失效。其次，如果芯片有源区本来就有损伤，那 么会导致在加电过程中逐渐退化直至失效，同样也会造成灯具在使用过程中光衰严重直至不亮。再者，若晶片粘结工艺不良，在使用过程中会导致晶片粘结层完全脱 离粘结面而使得样品发生开路失效，同样也会造成LED在使用过程中发生“死灯”现象。导致晶片粘结工艺不良的原因，可能是由于使用的银浆（绝缘胶）过期或 者暴露时间过长、银浆（绝缘胶）使用量过少、固化时间过长、固晶基面被污染等。
2）封装失效：
封 装失效是指封装设计或生产工艺不当导致器件失效。封装所用的环氧树脂材料，在使用过程中会发生劣化问题，致使LED的寿命降低。这种劣化问题包括：光透过 率、折射率、膨胀系数、硬度、透水性、透气性、填料性能等，其中尤以光透过率最为重要。对于封装而言，还有一个影响LED寿命的重要因素就是腐蚀。在 LED使用中，一般引起腐蚀的主要原因是水汽渗入了封装材料内部，导致引线变质、PCB铜线锈蚀；有时，随水汽引入的可动导电离子会驻留在芯片表面，从而 造成漏电。此外，封装质量不好的器件，在其封装体内部会有大量的残留气泡，这些残留的气泡同样也会造成器件的腐蚀。
3）热过应力失效：
高功率LED结温升高会使得环氧树脂材料发生异变，从而增加了系统的热阻，使得晶片与封装之间的受热表面发生退化，最终导致封装失效。
4）电过应力：
LED 若受到过电流(EOS)或者静电冲击(ESD)，都会造成晶片开路，形成电过应力失效。例如，GaN是宽禁带材料，电阻率较高。如果使用该类晶片，在生产 过程中因静电产生的感生电荷不易消失，当其累积到相当的程度时，可以产生很高的静电电压，这一电压一旦超过材料的承受能力，就会发生击穿现象并放电，使得 器件失效。
5）键合失效：
LED制造过程中键合条件不当，若键合力过大将会压伤晶片，反之则会造成器件的键合强度不足，使得器件容易脱松，或完全未形成良好的键合界面。
6）机械应力失效：
LED在SMT工艺流转、测试或运输中，外部的夹具、模具或其它硬质的材料撞击LED灯封装体，导致其内部结构瞬间移位拉断内部绑定线。这类失效发现在较软封装体的几率较大。
4. 分析与讨论
X射线透视可发现，LED灯珠内部有三个芯片，分别发红光、绿光和蓝光，内部引线键合较为复杂，在芯片与引线框架连接的第二焊点处再次进行键合，目的为增 加第二焊点的可靠性（第二焊点焊接强度薄弱，易产生失效）。经X射线检查可知，LED灯珠内部的金线完好，未发现断裂、焊点脱落等异常；引脚焊点焊接良 好，焊点内部未见较大气泡和裂纹。
用化学方法腐蚀掉LED灯珠表面的封装胶体，利用体式显微镜和电子显微镜观察其内部结构，失效区域和正常区域的绑定点键合效果良好，金线未出现断裂等异 常；芯片完整，未观察到裂纹、破碎等失效现象。对LED灯珠剖面观察，失效区域灯珠内部引线键合界面良好，未发现裂纹、焊点脱落等异常；引脚焊点良好，未 见裂纹和较大气泡的存在。
由以上分析可知，样品失效模式不符合任何一种典型的失效模式，LED灯珠质量良好，未发现任何可能存在的失效点，所以初步推断LED灯珠未失效，失效是由于其他原因造成的（例如PCB板和控制芯片等）。
5.结论：
导致样品失效区域LED蓝光不亮的原因不在于LED灯珠本身出现失效，而在于PCB板或者控制电路发生故障。
6.建议：
1) 根据控制电路图和PCB板电路图，对产品电学性能进行逐一排查，查找失效点，然后进行模拟验证。
2) 加强产品质量检查，即时剔除次品。
作者简介：
美信检测公司致力于材料及零部件品质检验、鉴定、认证及失效分析服务。