LED失效分析
2015-07-03 浏览量：4076
1. 引言
该LED射灯在客户端短期使用，出现比较严重的死灯、暗亮、闪烁等失效现象，经初步分析为内部线路接触不良所致。为查找导致线路接触不良的根本原因，改善产品质量，现对其进行失效分析。
2. 试验与结果
2.1 外观检查
图1为客户提供样品的典型照片，产品具体电学光学指标为6W/ (220~240)VAC/ (50/60)Hz/ 2700K，外观检查均未发现明显异常。
2.2通电测试
如图2所示，利用客户提供的LED灯具测试板对其提供的样品进行通电测试，点亮老化1小时，其中失效样品均出现死灯、暗亮、闪烁灯异常，正常样品正常点亮。对LED灯具进行制样过程中及制样后（见图3、4），利用直流电源对LED两端加12V、限制40mA上限电流进行通电测试，发现失效灯珠均有异常，正常灯珠正常点亮。通电测试时，对部分失效LED灯珠按压时，死灯LED灯珠能短暂恢复点亮。
2.3 X-Ray透视检查
对失效LED灯珠进行X-Ray透视检查，可以发现灯珠内部存在键合引线断开、不规则弯曲等现象。
2.4 显微检查
将失效样品开封，对其内部结构进行观察，发现灯珠内部键合引线几乎全部断裂，断裂部位集中于B点和D点，少量位于C点（见图7）。
需要注意的是，金线来料组织异常、焊线参数不匹配都会对焊线可靠性产生不利影响，但这些不良均不至于导致键合引线如此大面积的断裂。导致这种失效现象的根本原因只可能是使用过程中LED灯珠内应力过大，辅之以上种种不良，才会导致大规模断线。
导致灯珠内应力过大的原因有三个：超功率使用，一般表现为过电流；散热不良，热阻较大；灯珠材料热膨胀系数失配。
2.5 射灯电源输出功率测试
该LED射灯的使用电压为(220~240)VAC，将外部电源的输出电压分别设置为220V和240V，测试LED射灯电源的输出电流和电压，测试结果见图8和图9。两者均小于LED灯珠的最大额定参数，射灯电源设计符合LED灯珠的使用条件。
2.6 热学测试
利用T3Ster热瞬态测试仪测试LED灯珠自身的热阻，测试条件为：室温25℃；输入电流300mA。测试结果如图10所示，此款COB形式的LED灯珠热阻很小，散热效果良好。
为了测试LED射灯正常使用条件下的温度分布，利用红外热像仪对LED射灯进行扫描，扫描结果如图11所示, 推测实际使用过程中LED灯珠内部的结温应该处于100℃左右，几乎可以满足LED芯片的正常使用。值得一提的是，LED灯珠与底座之间的界面热阻较大，不利于热的传导。
2.7 CTE匹配度测试
取5pcs正常灯珠进行冷热冲击试验，将测试之后的LED灯珠点亮老化10分钟，发现5颗样品中有4颗出现死灯、闪烁等异常现象，说明此款LED灯珠本身的热膨胀系数匹配程度较差，无法承受正常使用条件下的高温。
3. 理论分析
焊线制程引入的不良不是导致键合引线大面积断裂的主因，导致这种失效现象的根本原因只可能是使用过程中LED灯珠内应力过大，辅之以上种种不良，才会导致大规模断线。导致灯珠内应力过大的原因有三个：(1)超功率使用，一般表现为过电流；(2)散热不良，热阻较大；(3)灯珠材料热膨胀系数失配。
（1）对LED射灯恒流电源进行功率检测，发现该电源参数（输出功率、输出电流）远小于LED灯珠的最大额定参数，射灯电源设计符合LED灯珠的使用条件。
（2）LED灯珠本身的热阻极小，灯具正常使用条件下的芯片结温约为100℃，温度略高，几乎可以满足芯片的正常使用。
（3）LED灯珠材料间的热膨胀系数差异较大，导致温变过程中的内应力较大，即LED灯珠本身的耐热性能并不理想。
由以上分析可知，内应力主要来自于材料CTE不匹配，此款灯珠耐热性较差，所以在不改变设计的前提条件下，该LED灯珠并不适用于此款LED射灯。
4. 结论
LED射灯出现异常的根本原因在于，正常使用条件下的LED灯珠内应力过大，造成灯珠内部键合引线大面积断裂。LED灯珠材料间的热膨胀系数失配是导致内应力过大的主要原因。建议选择耐高温的LED灯珠，或优化设计，减小界面热阻，提高灯具散热性能。
5. 参考标准
［1］GJB 548B-2005 方法5003 微电路的失效分析程序
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