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，出現比較嚴重的死燈、暗亮、閃爍等失效現象，經初步分析為內部線路接觸不良所致。為查找導致線路接觸不良的根本原因，改善產品質量，現對其進行失效分析。
2. 試驗與結果
2.1 外觀檢查
圖1為客戶提供樣品的典型照片，產品具體電學光學指標為6W/ (220~240)VAC/ (50/60)Hz/ 2700K，外觀檢查均未發現明顯異常。
2.2通電測試
如圖2所示，利用客戶提供的LED燈具測試板對其提供的樣品進行通電測試，點亮老化1小時，其中失效樣品均出現死燈、暗亮、閃爍燈異常，正常樣品正常點亮。對LED燈具進行制樣過程中及制樣后（見圖3、4），利用直流電源對LED兩端加12V、限制40mA上限電流進行通電測試，發現失效燈珠均有異常，正常燈珠正常點亮。通電測試時，對部分失效LED燈珠按壓時，死燈LED燈珠能短暫恢復點亮。
2.3 X-Ray透視檢查
對失效LED燈珠進行X-Ray透視檢查，可以發現燈珠內部存在鍵合引線斷開、不規則彎曲等現象。
2.4 顯微檢查
將失效樣品開封，對其內部結構進行觀察，發現燈珠內部鍵合引線幾乎全部斷裂，斷裂部位集中于B點和D點，少量位于C點（見圖7）。
需要注意的是，金線來料組織異常、焊線參數不匹配都會對焊線可靠性產生不利影響，但這些不良均不至于導致鍵合引線如此大面積的斷裂。導致這種失效現象的根本原因只可能是使用過程中LED燈珠內應力過大，輔之以上種種不良，才會導致大規模斷線。
導致燈珠內應力過大的原因有三個：超功率使用，一般表現為過電流；散熱不良，熱阻較大；燈珠材料熱膨脹系數失配。
2.5 射燈電源輸出功率測試
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置為220V和240V，測試LED射燈電源的輸出電流和電壓，測試結果見圖8和圖9。兩者均小于LED燈珠的最大額定參數，射燈電源設計符合LED燈珠的使用條件。
2.6 熱學測試
利用T3Ster熱瞬態測試儀測試LED燈珠自身的熱阻，測試條件為：室溫25℃；輸入電流300mA。測試結果如圖10所示，此款COB形式的LED燈珠熱阻很小，散熱效果良好。
為了測試LED射燈正常使用條件下的溫度分布，利用紅外熱像儀對LED射燈進行掃描，掃描結果如圖11所示, 推測實際使用過程中LED燈珠內部的結溫應該處于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。
2.7 CTE匹配度測試
取5pcs正常燈珠進行冷熱沖擊試驗，將測試之后的LED燈珠點亮老化10分鐘，發現5顆樣品中有4顆出現死燈、閃爍等異常現象，說明此款LED燈珠本身的熱膨脹系數匹配程度較差，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致鍵合引線大面積斷裂的主因，導致這種失效現象的根本原因只可能是使用過程中LED燈珠內應力過大，輔之以上種種不良，才會導致大規模斷線。導致燈珠內應力過大的原因有三個：(1)超功率使用，一般表現為過電流；(2)散熱不良，熱阻較大；(3)燈珠材料熱膨脹系數失配。
（1）對LED射燈恒流電源進行功率檢測，發現該電源參數（輸出功率、輸出電流）遠小于LED燈珠的最大額定參數，射燈電源設計符合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差異較大，導致溫變過程中的內應力較大，即LED燈珠本身的耐熱性能并不理想。
由以上分析可知，內應力主要來自于材料CTE不匹配，此款燈珠耐熱性較差，所以在不改變設計的前提條件下，該LED燈珠并不適用于此款LED射燈。
4. 結論
LED射燈出現異常的根本原因在于，正常使用條件下的LED燈珠內應力過大，造成燈珠內部鍵合引線大面積斷裂。LED燈珠材料間的熱膨脹系數失配是導致內應力過大的主要原因。建議選擇耐高溫的LED燈珠，或優化設計，減小界面熱阻，提高燈具散熱性能。
5. 參考標準
［1］GJB 548B-2005 方法5003 微電路的失效分析程序
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