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LED芯片功能失效分析

2022-07-05  浏览量:81

 

引言

 

LED芯片作为LED光源最核心的部件,其质量决定着产品的性能及可靠性。导致LED芯片失效的原因有多种,如结构设计不合理、工艺不良、化学残余腐蚀等等。本文以LED芯片功能失效为例,介绍其失效原因与分析方法,并提出改善建议。

 

一、案例背景

 

LED芯片作为LED光源最核心的部件,其质量决定着产品的性能及可靠性。导致LED芯片失效的原因有多种,如结构设计不合理、工艺不良、化学残余腐蚀等等。本文以LED芯片功能失效为例,介绍其失效原因与分析方法,并提出改善建议。

 

现实验室针对委托方提供的2pcs 失效样品(NG1、NG2)、1pcs正常样品(OK)进行测试分析,查找LED芯片功能失效的原因。

 

二、分析过程

 

1. 失效复现

为了观察灯珠失效状况,对失效灯板施加25VDC,100mADC电压电流,对正常灯板施加21VDC,100mADC电压电流(为了防止灯珠正常点亮无法及时散热而烧毁,适当调低施加电压值),观察灯珠点亮状况,结果如下:

NG1灯板:所有灯珠整体偏暗,电流小于1mA;NG2灯板:其中一颗灯珠出现死灯异常,电流无明显降低现象;正常灯板:灯珠发光正常,电流正常。

以上检测结果显示与委托方反馈信息一致。

 

2. IV特性分析

为了更准确地锁定异常灯珠,利用晶体管图示仪对失效灯板上每颗LED灯珠进行IV特性测量,观察单颗灯珠IV特性是否异常,结果如下:

每块失效灯板都发现一颗IV特性异常灯珠,异常灯珠均表现为开路失效模式。

 

异常灯珠IV特征测试曲线

图1. 异常灯珠IV特征测试曲线

 

3. 外观检查

利用体视显微镜对异常灯珠及正常灯珠进行外观检查,结果如图2所示。

异常灯珠与正常灯珠:①外观完好,未发现明显机械损伤痕迹;②封装胶体透明,未发现明显开裂、胶体黄变等异常。

(备注:由于芯片表面荧光粉覆盖,无法识别芯片状况,后续通过X-Ray透视技术进一步观察。)

 

异常灯珠及正常灯珠外观检查照片

图2. 异常灯珠及正常灯珠外观检查照片

 

4. X-Ray观察

利用X-Ray对失效灯板(NG1、NG2)及正常灯板OK进行透视观察分析,结果如下:

失效灯板NG1、NG2:如图3-4所示,异常灯珠都发现芯片电极焊点脱开现象及灯珠基板开裂异常;其他灯珠未发现明显异常现象。

 

NG1灯板异常灯珠及其他灯珠X-Ray透视观察照片

图3. NG1灯板异常灯珠及其他灯珠X-Ray透视观察照片

 

NG2灯板异常灯珠及其他灯珠X-Ray透视观察照片

图4. NG2灯板异常灯珠及其他灯珠X-Ray透视观察照片

 

正常灯板OK:如图5所示,灯珠内部未见明显异常现象。

 

OK灯板正常灯珠X-Ray透视观察照片

图5. OK灯板正常灯珠X-Ray透视观察照片

 

5. 剖面分析

 

切片位置示意图

图6. 切片位置示意图

 

失效灯板NG1:如图7及表1所示,异常灯珠测试结果:①灯珠外焊点焊接完好,未发现明显异常现象;②芯片电极焊点存在脱开异常,同时发现灯珠基板开裂现象,与X-Ray观察结果一致;③芯片电极未脱开焊点内部发现较多空洞现象;④电极脱开位置未发现明显异常元素,排除外界污染对焊点脱开的影响。

 

其他灯珠测试结果:①灯珠外焊点发现疲劳开裂现象;②芯片电极焊点内发现较多空洞现象。

 

NG1灯板异常灯珠及其他灯珠切片后SEM图片及EDS能谱图

图7. NG1灯板异常灯珠及其他灯珠切片后SEM图片及EDS能谱图

 

表1. NG1灯板异常灯珠切片后截面成分测试结果(wt.%)

NG1灯板异常灯珠切片后截面成分测试结果

 

失效灯板NG2:如图8所示,异常灯珠及其他灯珠切片结果与NG1样品类似。

 

NG2灯板异常灯珠及其他灯珠切片后SEM观察图片

图8. NG2灯板异常灯珠及其他灯珠切片后SEM观察图片

 

正常灯板OK:如图9所示,正常灯珠切片后外焊点同样发现疲劳开裂现象,芯片电极焊点内同样存在较多空洞。

 

OK灯板正常灯珠切片后SEM观察图片

图9. OK灯板正常灯珠切片后SEM观察图片

 

以上结果可知:①异常灯珠均存在因基板开裂导致芯片焊点脱开现象;②失效灯板中其他灯珠及正常灯板灯珠外焊点发现大面积疲劳开裂现象;③芯片电极焊点中存在较多空洞现象。

 

三、总结分析

 

该案件背景信息为:LED 芯片在环境应力筛选过程中出现一路芯片中的一颗 LED芯片不亮,初步判定是过电应力。

 

对委托方所送失效灯板进行失效复现后发现,NG1、NG2失效灯板均存在发光异常现象,个别灯板明显观察到灯珠死灯现象,与委托方反馈信息一致。

 

为了准确锁定失效灯珠,对失效灯板上所有灯珠进行IV特性测量,结果显示:NG1、NG2灯板上均发现一颗异常灯珠,异常灯珠均表现为开路失效模式。

 

对上述锁定的异常灯珠及正常灯珠外观进行光学检查,所有灯珠外观完好,未发现明显机械损伤痕迹,灯珠封装胶体透明,未发现明显开裂、胶体黄变等异常。

 

失效灯板(NG1、NG2)及正常灯板OK样品X-Ray透视观察结果显示:失效灯板异常灯珠均发现芯片电极焊点脱开现象及灯珠基板开裂异常;失效灯板其他灯珠及正常灯板灯珠未发现明显异常现象。

 

为了确认异常灯珠芯片电极焊点存在开裂异常,对失效灯板(NG1、NG2)及正常灯板(OK)进行切片观察,结果显示:①异常灯珠都存在因基板开裂导致芯片焊点脱开现象;②失效灯板中其他灯珠及正常灯板灯珠外焊点发现大面积疲劳开裂现象;③芯片电极焊点中存在较多空洞现象。

 

综上所述,LED芯片功能失效的直接原因为灯珠基板开裂导致芯片焊点脱开而开路,灯珠基板开裂主要与环境筛选试验中产生的内应力有关(灯珠外焊点疲劳开裂现象,说明灯珠在环境筛选试验中产生了较大内应力)。另外,芯片焊点内存在较多空洞现象也在一定程度上降低了焊点强度。

 

四、结论与建议

 

LED芯片功能失效的原因为:灯珠基板因环境筛选试验中产生的内应力而开裂,从而导致芯片电极焊点脱开而开路失效。

 

建议:

1. 优化灯板散热设计及结构设计,降低灯珠内应力影响;

2. 改善焊接工艺,提高芯片焊点焊接质量,避免焊点内存在较多空洞现象。

 

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