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常見問(wèn)題解答

LED死燈原因到底有多少種

日期:2018-01-21


? ? 以失效分析大數(shù)據(jù)顯示,LED死燈的原因可能過(guò)百種,今天我們僅以LED光源為例,從LED光源的五大原物料(芯片、支架、熒光粉、固晶膠、封裝膠和金線)的入手,介紹部分可能導(dǎo)致死燈的原因。


????芯片


????01、芯片抗靜電能力差


??? LED燈珠的抗靜電指標(biāo)高低取決于LED發(fā)光芯片本身,與封裝材料預(yù)計(jì)封裝工藝基本無(wú)關(guān),或者說(shuō)影響因素很小,很細(xì)微;LED燈更容易遭受靜電損傷,這與兩個(gè)引腳間距有關(guān)系,LED芯片裸晶的兩個(gè)電極間距非常小,一般是一百微米以內(nèi)吧,而LED引腳則是兩毫米左右,當(dāng)靜電電荷要轉(zhuǎn)移時(shí),間距越大,越容易形成大的電位差,也就是高的電壓。所以,封成LED燈后往往更容易出現(xiàn)靜電損傷事故。


????02、芯片外延缺陷


??? LED外延片在高溫長(zhǎng)晶過(guò)程中,襯底、MOCVD反應(yīng)腔內(nèi)殘留的沉積物、外圍氣體和Mo源都會(huì)引入雜質(zhì),這些雜質(zhì)會(huì)滲入磊晶層,阻止氮化鎵晶體成核,形成各種各樣的外延缺陷,最終在外延層表面形成微小坑洞,這些也會(huì)嚴(yán)重影響外延片薄膜材料的晶體質(zhì)量和性能。


????03、芯片化學(xué)物殘余


??? 電極加工是制作LED芯片的關(guān)鍵工序,包括清洗、蒸鍍、黃光、化學(xué)蝕刻、熔合、研磨,會(huì)接觸到很多化學(xué)清洗劑,如果芯片清洗不夠干凈,會(huì)使有害化學(xué)物殘余。這些有害化學(xué)物會(huì)在LED通電時(shí),與電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致死燈、光衰、暗亮、發(fā)黑等現(xiàn)象出現(xiàn)。因此,鑒定芯片化學(xué)物殘留對(duì)LED封裝廠來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。


????04、芯片的受損


??? LED芯片的受損會(huì)直接導(dǎo)致LED失效,因此提高LED芯片的可靠性至關(guān)重要。蒸鍍過(guò)程中有時(shí)需用彈簧夾固定芯片,因此會(huì)產(chǎn)生夾痕。黃光作業(yè)若顯影不完全及光罩有破洞會(huì)使發(fā)光區(qū)有殘余多出的金屬。晶粒在前段制程中,各項(xiàng)制程如清洗、蒸鍍、黃光、化學(xué)蝕刻、熔合、研磨等作業(yè)都必須使用鑷子及花籃、載具等,因此會(huì)有晶粒電極刮傷的情況發(fā)生。


??? 芯片電極對(duì)焊點(diǎn)的影響:芯片電極本身蒸鍍不牢靠,導(dǎo)致焊線后電極脫落或損傷;芯片電極本身可焊性差,會(huì)導(dǎo)致焊球虛焊;芯片存儲(chǔ)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致電極表面氧化,表面玷污等等,鍵合表面的輕微污染都可能影響兩者間的金屬原子擴(kuò)散,造成失效或虛焊。


????05、新結(jié)構(gòu)工藝的芯片與光源物料的不兼容


??? 新結(jié)構(gòu)的LED芯片電極中有一層鋁,其作用為在電極中形成一層反射鏡以提高芯片出光效率,其次可在一定程度上減少蒸鍍電極時(shí)黃金的使用量從而降低成本。但鋁是一種比較活潑的金屬,一旦封裝廠來(lái)料管控不嚴(yán),使用含氯超標(biāo)的膠水,金電極中的鋁反射層就會(huì)與膠水中的氯發(fā)生反應(yīng),從而發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。


????LED支架


????06、鍍銀層過(guò)薄


??? 市場(chǎng)上現(xiàn)有的LED光源選擇銅作為引線框架的基體材料。為防止銅發(fā)生氧化,一般支架表面都要電鍍上一層銀。如果鍍銀層過(guò)薄,在高溫條件下,支架易黃變。鍍銀層的發(fā)黃不是鍍銀層本身引起的,而是受銀層下的銅層影響。在高溫下,銅原子會(huì)擴(kuò)散、滲透到銀層表面,使得銀層發(fā)黃。銅的可氧化性是銅本身最大的弊病。當(dāng)銅一旦出現(xiàn)氧化狀態(tài),導(dǎo)熱和散熱性能都會(huì)大大的下降。所以鍍銀層的厚度至關(guān)重要。同時(shí),銅和銀都易受空氣中各種揮發(fā)性的硫化物和鹵化物等污染物的腐蝕,使其表面發(fā)暗變色。有研究表明,變色使其表面電阻增加約20~80%,電能損耗增大,從而使LED的穩(wěn)定性、可靠性大為降低,甚至導(dǎo)致嚴(yán)重事故。


????07、鍍銀層硫化


??? LED光源怕硫,這是因?yàn)楹虻臍怏w會(huì)通過(guò)其多孔性結(jié)構(gòu)的硅膠或支架縫隙,與光源鍍銀層發(fā)生硫化反應(yīng)。LED光源出現(xiàn)硫化反應(yīng)后,產(chǎn)品功能區(qū)會(huì)黑化,光通量會(huì)逐漸下降,色溫出現(xiàn)明顯漂移;硫化后的硫化銀隨溫度升高導(dǎo)電率增加,在使用過(guò)程中,極易出現(xiàn)漏電現(xiàn)象;更嚴(yán)重的狀況是銀層完全被腐蝕,銅層暴露。由于金線二焊點(diǎn)附著在銀層表面,當(dāng)支架功能區(qū)銀層被完全硫化腐蝕后,金球出現(xiàn)脫落,從而出現(xiàn)死燈。


????08、鍍銀層氧化


??? LED發(fā)黑初步診斷中發(fā)現(xiàn)硫/氯/溴元素越難越難找了,然而LED光源鍍銀層發(fā)黑跡象明顯,這可能與銀氧化有關(guān)。因?yàn)榇嬖谟诳諝猸h(huán)境、樣品表面吸附以及封裝膠等有機(jī)物中的氧元素都會(huì)干擾檢測(cè)結(jié)果的判定,因此判定氧化發(fā)黑的結(jié)論需要使用SEM、EDS、顯微紅外光譜、XPS等專業(yè)檢測(cè)以及光、電、化學(xué)、環(huán)境老化等一系列可靠性對(duì)比實(shí)驗(yàn),結(jié)合專業(yè)的檢測(cè)知識(shí)及電鍍知識(shí)進(jìn)行綜合分析。


????09、電鍍質(zhì)量不佳


??? 鍍層質(zhì)量的優(yōu)劣主要決定于金屬沉積層的結(jié)晶組織,一般來(lái)說(shuō),結(jié)晶組織愈細(xì)小,鍍層也愈致密、平滑、防護(hù)性能也愈高。這種結(jié)晶細(xì)小的鍍層稱為“微晶沉積層”。好的電鍍層應(yīng)該鍍層結(jié)晶細(xì)致、平滑、均勻、連續(xù),不允許有污染物、化學(xué)物殘留、斑點(diǎn)、黑點(diǎn)、燒焦、粗糙、針孔、麻點(diǎn)、裂紋、分層、起泡、起皮起皺、鍍層剝落、發(fā)黃、晶狀鍍層、局部無(wú)鍍層等缺陷。


??? 在電鍍生產(chǎn)實(shí)踐中,金屬鍍層的厚度及鍍層的均勻性和完整性是檢查鍍層質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,因?yàn)殄儗拥姆雷o(hù)性能、孔隙率等都與鍍層厚度有直接關(guān)系。特變是陰極鍍層,隨著厚度的增加,鍍層的防護(hù)性能也隨之提高。如果鍍層的厚度不均勻,往往其最薄的地方首先被破壞,其余部位鍍層再厚也會(huì)失去保護(hù)作用。


??? 鍍層的孔隙率較多,氧氣等腐蝕性的氣體會(huì)通過(guò)孔隙進(jìn)入腐蝕銅基體。


????10、有機(jī)物污染


??? 因?yàn)殡婂冞^(guò)程中會(huì)用到各種含有機(jī)物的藥水,鍍銀層如果清洗不干凈或者選用質(zhì)量較差以及變質(zhì)的藥水,這些殘留的有機(jī)物一旦在光源點(diǎn)亮的環(huán)境中,在光、熱和電的作用下,有機(jī)物則可能發(fā)生氧化還原等化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致鍍銀層表面變色。


????11、水口料


??? 塑料的材質(zhì)是LED封裝支架導(dǎo)熱的關(guān)鍵,如果PPA支架是水口料,會(huì)使PPA的塑料性能降低,從而產(chǎn)生以下問(wèn)題:高溫承受能力差,易變形,黃變,反射率變低;吸水率高,支架會(huì)因吸水造成尺寸變化及機(jī)械強(qiáng)度下降;與金屬和硅膠結(jié)合性差,比較挑膠,與很多硅膠都不匹配。這些潛在問(wèn)題,使得燈珠很難使用在稍大的功率上,一旦超出了使用功率范圍,初始亮度很高,但衰減很快,沒(méi)用幾個(gè)月燈就暗了。


????熒光粉


????12、熒光粉水解


??? 氮化物的熒光粉容易水解,失效。


????13、熒光粉自發(fā)熱的機(jī)制


??? 熒光粉自發(fā)熱的機(jī)制,使得熒光粉層的溫度往往高于 LED 芯片 p-n 結(jié)。其原因是熒光粉的轉(zhuǎn)換效率并不能達(dá)到 100%,因此熒光粉吸收的一部分藍(lán)光轉(zhuǎn)化成黃光,在高光能量密度 LED 封裝中熒光粉吸收的另一部分光能量則變成了熱量。由于熒光粉通常和硅膠摻在一起,而硅膠的熱導(dǎo)率非常低,只有 0.16 W/mK,因此熒光粉產(chǎn)生的熱量會(huì)在較小的局部區(qū)域累積,造成局部高溫,LED 的光密度越大則熒光粉的發(fā)熱量越大。當(dāng)熒光粉的溫度達(dá)到 450 攝氏度以上是,會(huì)使熒光粉顆粒附近的硅膠出現(xiàn)碳化。一旦有某個(gè)地方的硅膠出現(xiàn)碳化發(fā)黑,其光轉(zhuǎn)化效率更低,該區(qū)域?qū)⑽崭?LED 發(fā)出的光能量并轉(zhuǎn)化更多的熱量,溫度繼續(xù)增加,使得碳化的面積越來(lái)越大。


????固晶膠


????14、銀膠剝離


??? 導(dǎo)電銀膠的基體是環(huán)氧樹脂類材料,熱膨脹系數(shù)比芯片和支架都大很多,在燈珠的冷熱沖擊使用環(huán)境中,會(huì)因?yàn)闊岬膯?wèn)題產(chǎn)生應(yīng)力,溫度變化劇烈的環(huán)境中效應(yīng)將更為加劇,膠體本身有拉伸斷裂強(qiáng)度和延展率,當(dāng)拉力超過(guò)時(shí),那么膠體就裂開了。固晶膠的在界面處剝離,散熱急劇變差,芯片產(chǎn)生的熱不能導(dǎo)出,結(jié)溫迅速升高,大大加速了光衰的進(jìn)程。


????15、銀膠分層


??? 銀粉顆粒以懸浮狀態(tài)分散在漿料體系中,銀粉和基體之間由于受到密度差 、電荷 、凝聚力 、作用力和分散體系的結(jié)構(gòu)等諸多因素的影響,常出現(xiàn)銀粉沉降分層現(xiàn)象,如果沉降過(guò)快會(huì)使產(chǎn)品在掛漿時(shí)產(chǎn)生流掛 ,涂層厚薄不均勻 ,乃至影響到涂膜的物化性能,分層也會(huì)影響器件的散熱、粘接強(qiáng)度和導(dǎo)電性能 。


????16、銀離子遷移


??? 某客戶用硅膠封裝,導(dǎo)電銀膠粘結(jié)的垂直倒裝光源出現(xiàn)漏電現(xiàn)象,查找原因通過(guò)對(duì)不良燈珠分析,在芯片側(cè)面檢測(cè)出異常銀元素,并可觀察到銀顆粒從底部正極銀膠區(qū)域以枝晶狀延伸形貌逐漸擴(kuò)散到芯片上部P-N結(jié)側(cè)面附近,因此判定不良燈珠漏電失效極有可能為來(lái)自固晶銀膠的銀離子在芯片側(cè)面發(fā)生離子遷移所造成。銀離子遷移現(xiàn)象是在在產(chǎn)品使用過(guò)程中逐漸形成的,隨著遷移現(xiàn)象的加重,最終銀離子會(huì)導(dǎo)通芯片P-N結(jié),造成芯片側(cè)面存在低電阻通路,導(dǎo)致芯片出現(xiàn)漏電流異常,嚴(yán)重情況下甚至造成芯片短路。銀遷移的原因是多方面的,但主要原因是銀基材料受潮,銀膠受潮后,侵入的水分子使銀離子化,并在由下到上垂直方向電場(chǎng)作用下沿芯片側(cè)面發(fā)生遷移。因此建議客戶慎用硅膠封裝、銀膠粘結(jié)垂直倒裝芯片的燈珠,選用金錫共晶的焊接方式將芯片固定在支架上,并加強(qiáng)燈具防水特性檢測(cè)。


????17、固晶膠不干


??? LED封裝用有機(jī)硅的固化劑含有白金(鉑)絡(luò)合物,而這種白金絡(luò)合物非常容易中毒,毒化劑是任意一種含氮(N)、磷(P)、硫(S)的化合物,一旦固化劑中毒,則有機(jī)硅固化不完全,則會(huì)造成線膨脹系數(shù)偏高,應(yīng)力增大。


????封裝膠


????18、膠水耐熱性差


??? 據(jù)檢測(cè)表明,純硅膠到400度才開始裂解,但是添加了環(huán)氧樹脂的改性硅膠的耐熱性被拉低到環(huán)氧樹脂的水平,當(dāng)這種改性硅膠運(yùn)用到大功率LED或者高溫環(huán)境中,會(huì)出現(xiàn)膠體發(fā)黃發(fā)黑開裂死燈等現(xiàn)象。


????19、膠水不干


??? LED封裝用有機(jī)硅的固化劑含有白金(鉑)絡(luò)合物,而這種白金絡(luò)合物非常容易中毒,毒化劑是任意一種含氮(N)、磷(P)、硫(S)的化合物,一旦固化劑中毒,則有機(jī)硅固化不完全,則會(huì)造成線膨脹系數(shù)偏高,應(yīng)力增大。


??? 易發(fā)生硅膠“中毒”的物質(zhì)有:含N,P,S等有機(jī)化合物;Sn,Pb、Hg、Sb、Bi、As等重金屬離子化合物;含有乙炔基等不飽和基的有機(jī)化合物。要注意下面這些物料:


??? 有機(jī)橡膠:硫磺硫化橡膠例如手套

??? 環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂:胺類、異氰酸脂類固化劑

??? 綜合型有機(jī)硅RTV橡膠:特別是使用Sn類觸媒

??? 軟質(zhì)聚氰乙烯:可塑劑、穩(wěn)定劑


??? 焊劑


??? 工程塑料:阻燃劑、增強(qiáng)耐熱劑、紫外線吸收劑等

??? 鍍銀,鍍金表面(制造時(shí)的電鍍液是主要原因)

??? Solder register產(chǎn)生的脫氣(有機(jī)硅加熱固化引起)


????20、封裝膠線膨脹系數(shù)過(guò)大


??? 在燈珠的冷熱沖擊使用環(huán)境中,會(huì)因?yàn)闊岬膯?wèn)題產(chǎn)生應(yīng)力,溫度變化劇烈的環(huán)境中效應(yīng)將更為加劇,膠體本身有拉伸斷裂強(qiáng)度和延展率,當(dāng)拉力超過(guò)時(shí),那么膠體就裂開了。


????21、膠水含氯


??? 但目前國(guó)內(nèi)環(huán)氧樹脂生產(chǎn)企業(yè)普遍生產(chǎn)規(guī)模小,管理模式和生產(chǎn)工藝落后,操作機(jī)械自動(dòng)化程度不高,導(dǎo)致環(huán)氧樹脂的各項(xiàng)參數(shù)難以保障。低品質(zhì)的環(huán)氧樹脂的生產(chǎn)與我國(guó)現(xiàn)狀產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀有關(guān),產(chǎn)業(yè)急需升級(jí)。


??? 環(huán)氧樹脂中的氯不僅對(duì)支架鍍銀層、合金線或其他活潑金屬及芯片電極(鋁反射層)造成氯化腐蝕,而且也能與胺類固化劑起絡(luò)合作用而影響樹脂的固化。氯含量是環(huán)氧樹脂的一個(gè)重要物性指標(biāo),它是指環(huán)氧樹脂中所含氯的質(zhì)量分?jǐn)?shù),包括有機(jī)氯和無(wú)機(jī)氯。無(wú)機(jī)氯會(huì)影響固化樹脂的電性能。有機(jī)氯含量標(biāo)志著分子中未起閉環(huán)反應(yīng)的那部分氯醇基團(tuán)的含量,它含量應(yīng)盡可能地降低,否則也要影響樹脂的固化及固化物的性能。


??? 金線


????22、銅合金、金包銀合金線、銀合金線材代替金線


??? 金線具有電導(dǎo)率大、導(dǎo)熱性好、耐腐蝕、韌性好、化學(xué)穩(wěn)定性極好等優(yōu)點(diǎn),但金線的價(jià)格昂貴,導(dǎo)致封裝成本過(guò)高。在元素周期表中,過(guò)渡族金屬元素中金、銀、銅和鋁四種金屬元素具有較高的導(dǎo)電性能。很多LED廠商試圖開發(fā)諸如銅合金、金包銀合金線、銀合金線材來(lái)代替昂貴的金線。雖然這些替代方案在某些特性上優(yōu)于金線,但是在化學(xué)穩(wěn)定性方面卻差很多,比如銀線和金包銀合金線容易受到硫/氯/溴化腐蝕,銅線容易氧化。在類似于吸水透氣海綿的封裝硅膠來(lái)說(shuō),這些替代方案使鍵合絲易受到化學(xué)腐蝕,光源的可靠性降低,使用時(shí)間長(zhǎng)了,LED燈珠容易斷線死燈。


????23、直徑偏差


??? 1克金,可以拉制出長(zhǎng)度26.37m、直徑50μm(2 mil)的金線,也可以拉制長(zhǎng)度105.49m、直徑25μm(1 mil)的金線。如果打金線長(zhǎng)度都是固定的,如果來(lái)料金線的直徑為原來(lái)的一半,那么對(duì)打的金線所測(cè)電阻為正常的四分之一。


????24、表面缺陷


??? (1)絲材表面應(yīng)無(wú)超過(guò)線徑5%的刻痕、凹坑、劃傷、裂紋、凸起、打折和其他降低器件使用壽命的缺陷。金線在拉制過(guò)程,絲材表面出現(xiàn)的表面缺陷,會(huì)導(dǎo)致電流密度加大,使損傷部位易被燒毀,同時(shí)抗機(jī)械應(yīng)力的能力降低,造成內(nèi)引線損傷處斷裂。


??? (2)金線表面應(yīng)無(wú)油污、銹蝕、塵埃及其他粘附物,這些會(huì)降低金線與LED芯片之間、金線與支架之間的鍵合強(qiáng)度。


????25、拉斷負(fù)荷和延伸率過(guò)低


??? 能承受樹脂封裝時(shí)所產(chǎn)生的沖擊的良好金線必須具有規(guī)定的拉斷負(fù)荷和延伸率。同時(shí),金線的破斷力和延伸率對(duì)引線鍵合的質(zhì)量起關(guān)鍵作用,具有高的破斷率和延伸率的鍵合絲更利于鍵合。太軟的金絲會(huì)導(dǎo)致以下不良:(1)拱絲下垂;(2)球形不穩(wěn)定;(3)球頸部容易收縮;(4)金線易斷裂。太硬的金絲會(huì)導(dǎo)致以下不良:(1)將芯片電極或外延打出坑洞;(2)金球頸部斷裂;(3)形成合金困難;(4)拱絲弧線控制困難。