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LED封装老化失效分析

2022-11-23  浏览量:8

 

引言

 

LED背光灯技术作为新型下一代绿色光源,尚存在很多没有解决的问题。其中包括一致性较差、成本较高和可靠性差等问题,而在实际使用过程中,会遇到高温、高湿等恶劣环境,放大LED光源缺陷,加速材料老化,使LED光源快速失效。

本文以LED封装老化失效为例,通过x-ray检测、光参数测试、开封检查、切片分析等方法,分析其失效机理,并提出改善建议。

 

一、案例背景

 

对LED背光灯条进行测试分析,查找其灯珠光衰暗亮原因。

 

二、分析过程

 

1. 失效复现

为了观察失效灯条发光状况,对失效灯条及正常灯条点亮观察:

失效灯条与正常灯条一同点亮时,明显观察到失效灯条暗亮现象。对失效灯条单独点亮时,灯条整体暗亮,但暗亮程度不一。

 

2. 外观检查

利用体视显微镜对失效灯条及正常灯条进行外观检查:

失效灯珠与正常灯珠外观未发现开裂、破损等异常现象,但失效灯条较正常灯条存在以下差异:①灯珠封装胶体黄变;②PCB白油发黄变色。

以上现象表明,失效灯条服役环境温度较高。

 

失效灯条及正常灯条外观检查照片

图1. 失效灯条及正常灯条外观检查照片

 

3. X-Ray透视检查

如图所示,失效灯条PCB线路完好,未见明显异常。失效灯条LED灯珠、二极管、电阻等器件内部结构完整,无异常。

失效灯条与正常灯条内部结构未见明显差异。

 

失效灯条与正常灯条X-Ray透视检查照片

图2. 失效灯条与正常灯条X-Ray透视检查照片

 

4. 半导体特性分析

利用半导体测试设备,对失效灯条、正常灯条分别进行I-V半导体特性测试,结果如下:

(1)对灯条整体I-V特性测试时,失效灯条与正常灯条I-V特性曲线完全重合,无差异;

(2)对LED灯珠两端单独测试时,失效灯条上所有LED灯珠I-V特性与正常灯珠无明显差异。

由以上结果可知,失效灯条线路连接正常,电子器件功能正常,推测LED灯珠暗亮与封装材料透光性有关。

 

灯条整体I-V特性测试结果

备注:蓝色曲线为正常样品实测曲线,红色曲线为失效样品实测曲线。

图3. 灯条整体I-V特性测试结果

 

单颗灯珠I-V特性测试结果

备注:蓝色曲线为正常样品实测曲线,红色曲线为失效样品实测曲线。

图4. 单颗灯珠I-V特性测试结果

 

5. 单颗灯珠点亮观察

对切割后单颗LED灯珠进行点亮观察。

NG灯条上LED11灯珠较其他灯珠相对偏亮,但亮度明显低于正常灯珠,点亮现象与失效复现时点亮结果一致,即失效现象与LED灯珠状态相关,与互连电路和其他器件无关。考虑到LED灯珠半导体特性完全一致,说明LED灯珠暗亮与封装材料状态存在极大的相关性。

 

6. 光参数测试

取失效灯条NG和正常灯条OK分别点亮,测试其光参数。

测试结果显示:失效灯条与正常灯条主波长、显示指数无明显差异,而光通量远低于正常灯条,近红外波段异常凸显,说明失效灯珠的发热量较大。

 

失效灯条及正常灯条光谱图

图5. 失效灯条及正常灯条光谱图

 

7. 开封观察

为了确认晶元本身是否正常,对失效灯珠及正常灯珠开封,观察晶元表面状态,并借助探针台相同电压条件下点亮失效晶元与正常晶元,观察晶元发光状况。

失效灯珠及正常灯珠开封后,晶元表面完好,未发现明显异常现象。(两者晶元结构不同)

相同电压条件下,失效灯珠晶元与正常灯珠晶元亮度无明显差异,故排除晶元本身异常导致灯珠光衰严重的可能性。

 

失效灯珠及正常灯珠开封后观察照片

图6. 失效灯珠及正常灯珠开封后观察照片

 

失效灯珠及正常灯珠开封后晶元点亮照片

图7. 失效灯珠及正常灯珠开封后晶元点亮照片

 

8. 剖面观察

为了确认LED灯珠封装胶体及荧光粉老化情况,对失效灯珠及正常灯珠切片,利用体视显微镜、金相显微镜及扫描电子显微镜分别对切片后截面进行观察:

失效灯珠切片后发现以下异常:①封装胶体整体变暗;②晶元表面封装胶体老化严重。正常灯珠未发现封装胶体老化迹象。

失效灯珠封装胶体的老化说明灯珠服役温度过高,灯珠内部最高温度即结温,故晶元表面老化程度最高。

 

失效灯珠及正常灯珠切片后截面观察照片

图8. 失效灯珠及正常灯珠切片后截面观察照片

 

三、总结分析

 

(1)外观检查结果显示,失效灯珠存在封装胶体黄变、PCB白油发黄变色现象,表明失效灯条服役温度过高;

 

(2)半导体特性分析及单颗LED灯珠点亮观察结果显示,失效灯条线路连接正常,电子元器件功能正常,所有灯珠I-V半导体特性正常。

 

(3)光参数测试结果显示,失效灯条光通量远低于正常灯条,且近红外光谱异常;

 

(4)开封后,失效灯珠晶元与正常灯珠晶元亮度无明显差异,排除晶元本身异常对灯珠暗亮的影响;

 

(5)剖面观察结果显示,失效灯珠封装胶体呈现老化现象,尤其晶元表面封装胶体老化严重。

 

四、结论与建议

 

综合以上测试结果可知,LED灯珠光衰暗亮的原因为:封装胶体受热老化发黑,老化后的封装胶体降低了材料透光性。

 

改善建议

对灯条的服役环境进行确认,高度怀疑终端产品热设计存在极大问题,并未对LED结温有效管理。

 

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