引言

 

LED芯片作為LED光源最核心的部件，其質(zhì)量決定著產(chǎn)品的性能及可靠性。導(dǎo)致LED芯片失效的原因有多種，如結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、工藝不良、化學(xué)殘余腐蝕等等。本文以LED芯片功能失效為例，介紹其失效原因與分析方法，并提出改善建議。

 

一、案例背景

 

LED芯片作為LED光源最核心的部件，其質(zhì)量決定著產(chǎn)品的性能及可靠性。導(dǎo)致LED芯片失效的原因有多種，如結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、工藝不良、化學(xué)殘余腐蝕等等。本文以LED芯片功能失效為例，介紹其失效原因與分析方法，并提出改善建議。

 

現(xiàn)實驗室針對委托方提供的2pcs 失效樣品（NG1、NG2）、1pcs正常樣品（OK）進(jìn)行測試分析，查找LED芯片功能失效的原因。

 

二、分析過程

 

1. 失效復(fù)現(xiàn)

為了觀察燈珠失效狀況，對失效燈板施加25VDC，100mADC電壓電流，對正常燈板施加21VDC，100mADC電壓電流（為了防止燈珠正常點亮無法及時散熱而燒毀，適當(dāng)調(diào)低施加電壓值），觀察燈珠點亮狀況，結(jié)果如下：

NG1燈板：所有燈珠整體偏暗，電流小于1mA；NG2燈板：其中一顆燈珠出現(xiàn)死燈異常，電流無明顯降低現(xiàn)象；正常燈板：燈珠發(fā)光正常，電流正常。

以上檢測結(jié)果顯示與委托方反饋信息一致。

 

2. IV特性分析

為了更準(zhǔn)確地鎖定異常燈珠，利用晶體管圖示儀對失效燈板上每顆LED燈珠進(jìn)行IV特性測量，觀察單顆燈珠IV特性是否異常，結(jié)果如下：

每塊失效燈板都發(fā)現(xiàn)一顆IV特性異常燈珠，異常燈珠均表現(xiàn)為開路失效模式。

 

圖1. 異常燈珠IV特征測試曲線

 

3. 外觀檢查

利用體視顯微鏡對異常燈珠及正常燈珠進(jìn)行外觀檢查，結(jié)果如圖2所示。

異常燈珠與正常燈珠：①外觀完好，未發(fā)現(xiàn)明顯機(jī)械損傷痕跡；②封裝膠體透明，未發(fā)現(xiàn)明顯開裂、膠體黃變等異常。

（備注：由于芯片表面熒光粉覆蓋，無法識別芯片狀況，后續(xù)通過X-Ray透視技術(shù)進(jìn)一步觀察。）

 

圖2. 異常燈珠及正常燈珠外觀檢查照片

 

4. X-Ray觀察

利用X-Ray對失效燈板（NG1、NG2）及正常燈板OK進(jìn)行透視觀察分析，結(jié)果如下：

失效燈板NG1、NG2：如圖3-4所示，異常燈珠都發(fā)現(xiàn)芯片電極焊點脫開現(xiàn)象及燈珠基板開裂異常；其他燈珠未發(fā)現(xiàn)明顯異常現(xiàn)象。

 

圖3. NG1燈板異常燈珠及其他燈珠X-Ray透視觀察照片

 

圖4. NG2燈板異常燈珠及其他燈珠X-Ray透視觀察照片

 

正常燈板OK：如圖5所示，燈珠內(nèi)部未見明顯異常現(xiàn)象。

 

圖5. OK燈板正常燈珠X-Ray透視觀察照片

 

5. 剖面分析

 

圖6. 切片位置示意圖

 

失效燈板NG1：如圖7及表1所示，異常燈珠測試結(jié)果：①燈珠外焊點焊接完好，未發(fā)現(xiàn)明顯異常現(xiàn)象；②芯片電極焊點存在脫開異常，同時發(fā)現(xiàn)燈珠基板開裂現(xiàn)象，與X-Ray觀察結(jié)果一致；③芯片電極未脫開焊點內(nèi)部發(fā)現(xiàn)較多空洞現(xiàn)象；④電極脫開位置未發(fā)現(xiàn)明顯異常元素，排除外界污染對焊點脫開的影響。

 

其他燈珠測試結(jié)果：①燈珠外焊點發(fā)現(xiàn)疲勞開裂現(xiàn)象；②芯片電極焊點內(nèi)發(fā)現(xiàn)較多空洞現(xiàn)象。

 

圖7. NG1燈板異常燈珠及其他燈珠切片后SEM圖片及EDS能譜圖

 

表1. NG1燈板異常燈珠切片后截面成分測試結(jié)果（wt.%）

 

失效燈板NG2：如圖8所示，異常燈珠及其他燈珠切片結(jié)果與NG1樣品類似。

 

圖8. NG2燈板異常燈珠及其他燈珠切片后SEM觀察圖片

 

正常燈板OK：如圖9所示，正常燈珠切片后外焊點同樣發(fā)現(xiàn)疲勞開裂現(xiàn)象，芯片電極焊點內(nèi)同樣存在較多空洞。

 

圖9. OK燈板正常燈珠切片后SEM觀察圖片

 

以上結(jié)果可知：①異常燈珠均存在因基板開裂導(dǎo)致芯片焊點脫開現(xiàn)象；②失效燈板中其他燈珠及正常燈板燈珠外焊點發(fā)現(xiàn)大面積疲勞開裂現(xiàn)象；③芯片電極焊點中存在較多空洞現(xiàn)象。

 

三、總結(jié)分析

 

該案件背景信息為：LED 芯片在環(huán)境應(yīng)力篩選過程中出現(xiàn)一路芯片中的一顆 LED芯片不亮，初步判定是過電應(yīng)力。

 

對委托方所送失效燈板進(jìn)行失效復(fù)現(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，NG1、NG2失效燈板均存在發(fā)光異常現(xiàn)象，個別燈板明顯觀察到燈珠死燈現(xiàn)象，與委托方反饋信息一致。

 

為了準(zhǔn)確鎖定失效燈珠，對失效燈板上所有燈珠進(jìn)行IV特性測量，結(jié)果顯示：NG1、NG2燈板上均發(fā)現(xiàn)一顆異常燈珠，異常燈珠均表現(xiàn)為開路失效模式。

 

對上述鎖定的異常燈珠及正常燈珠外觀進(jìn)行光學(xué)檢查，所有燈珠外觀完好，未發(fā)現(xiàn)明顯機(jī)械損傷痕跡，燈珠封裝膠體透明，未發(fā)現(xiàn)明顯開裂、膠體黃變等異常。

 

失效燈板（NG1、NG2）及正常燈板OK樣品X-Ray透視觀察結(jié)果顯示：失效燈板異常燈珠均發(fā)現(xiàn)芯片電極焊點脫開現(xiàn)象及燈珠基板開裂異常；失效燈板其他燈珠及正常燈板燈珠未發(fā)現(xiàn)明顯異常現(xiàn)象。

 

為了確認(rèn)異常燈珠芯片電極焊點存在開裂異常，對失效燈板（NG1、NG2）及正常燈板（OK）進(jìn)行切片觀察，結(jié)果顯示：①異常燈珠都存在因基板開裂導(dǎo)致芯片焊點脫開現(xiàn)象；②失效燈板中其他燈珠及正常燈板燈珠外焊點發(fā)現(xiàn)大面積疲勞開裂現(xiàn)象；③芯片電極焊點中存在較多空洞現(xiàn)象。

 

綜上所述，LED芯片功能失效的直接原因為燈珠基板開裂導(dǎo)致芯片焊點脫開而開路，燈珠基板開裂主要與環(huán)境篩選試驗中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力有關(guān)（燈珠外焊點疲勞開裂現(xiàn)象，說明燈珠在環(huán)境篩選試驗中產(chǎn)生了較大內(nèi)應(yīng)力）。另外，芯片焊點內(nèi)存在較多空洞現(xiàn)象也在一定程度上降低了焊點強(qiáng)度。

 

四、結(jié)論與建議

 

LED芯片功能失效的原因為：燈珠基板因環(huán)境篩選試驗中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力而開裂，從而導(dǎo)致芯片電極焊點脫開而開路失效。

 

建議：

1. 優(yōu)化燈板散熱設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低燈珠內(nèi)應(yīng)力影響；

2. 改善焊接工藝，提高芯片焊點焊接質(zhì)量，避免焊點內(nèi)存在較多空洞現(xiàn)象。

 

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