照明LED失效分析方法
http://www.pgalia.live 2017-06-01 15:59:04

大家還記得歐普在雙十一的佳績嗎?2億元,我們看到LED已經慢慢在普及了。但雖然普及了,我們在生產使用過程中仍然會出現了很多LED失效,這里我們淺談一下LED失效模式。

  作為通用照明的LED,目前主要由兩種:一種可以進行SMT作業的SMD LED;另外一種是集成和陣列式的COB和銅基板模塊。當然也還有DOB,不過今天我們暫時不討論。

  一、SMD LED的失效模式

  首先我們來看看SMD LED的失效模式。SMD LED種類太多了, 2835、3528、5050、5630、3014、4014等等。支架的塑封從PPA,PCT,一直到現在的EMC等等。不管封裝尺寸如何,失效模式都差異不大,我總結了幾點。

  1.1 失效最嚴重的就是死燈

  死燈的話應該就分為真死或者假死。

  假死情況較常見的就是LED過回流的時候,LED與PCB之間的虛接。這個虛焊比較好發現和解決。通過點測和老化即可發現虛焊的位置,并能通過加熱臺或者熱風槍進行LED修正和替換即可。另外一種假死,是LED內部出現虛接或者金線斷裂但是還挨著一起。如下圖一所示,就是典型的LED 金線內部的虛接(已經斷開,但是還是挨著一起,LED還是可以點亮,但是過一會就因為膠體的應力導致斷線頭分開死燈)。

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  ▲圖一 金線斷開失效模式

  真死的話,情況就比較多了,但是常見的是金線斷裂(就是圖一中如斷線頭不挨著就是真死的一種)。還有一種就是過流導致芯片和金線燒毀,這個目視就非常明顯了,如下圖二所示。總結起來就真死的幾種狀況:一種是線路故障問題,可能是邦定不良導致線路失效,也可能內應力(熱脹冷縮的力)導致線路失效;一種是超過必要的電流電壓問題;還有一種就是靜電擊穿LED問題(這個失效模式目視效果不明顯,芯片PN結被擊穿,需要老化一段時間才逐步死亡)。

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  ▲圖二 過流導致芯片燒毀的失效模式

  那么問題來了,如何規避或減少死燈這么嚴重的失效呢。

  最要緊的是保證線路焊接時的可靠性,這些可靠性導致的不良后果是致命的。首先,得保證機臺穩定性,還有焊線模式,有的需要進行尾線壓合,或者尾線重新加個尾巴。其次,是保證線材與芯片鍵和的兼容性。以前我們都是用9999的純金,現在用的是K金(60%以上的黃金),或者合金(8%以上的黃金)與CHIP PAD的鍵和的兼容性和焊接強度需要考慮到。

  另外,與膠水的硬度有關系,如果膠水太硬,那么應力(熱脹冷縮的力)就會拉斷芯片。這種失效模式也是比較常見。為啥?因為硅膠太貴,密封性也不好,更多人傾向使用硬硅膠和環氧樹脂類作為灌封膠。所以我們選擇封裝材料時,一定要考慮到應力與封裝的匹配性,不能太硬,適合使用的環境。

  比如現在的9V1W的2835作為球泡燈的光源,管腳溫度TS很多經常在105-110℃之間。那么對于這么高的溫度,我們的封裝膠水硬度就必須要小,否則過一段時間會因應力過大拉斷金線而死燈。當然,如果是0.06W的LED,環氧樹脂應該是又便宜又實用的封裝膠水,應力對其影響不是太大。至于靜電防護,電子行業幾乎所有的電子器件都需要進行經靜電防護,比如建立風淋室、導走人體帶電荷、空氣加濕、設備接地、增加等離子風扇等等。靜電防護通用性的措施,我這里就進行贅述了。

  1.2 另外一種LED失效模式就是:壽命短,色漂移等主要指標參數出現異常

  我們定義70%的初始光通量為LED壽命終點(這個和死燈定義不一樣)。壽命亦可理解為流明的維持率。現在幾乎所有的大公司的SMD LED都有LM-80的測試,測試6000H,或者9000H,模擬出壽命在36000H或者54000H。當然,設計是美好的,現實是殘酷的。LED在其應用條件與我們做LM-80測試條件有著天壤之別,所以壽命不如預期。

  舉例:送給客樣品[email protected] 2835LED。客戶裝成燈泡老化100H,發現流明的維持率只有90%,與LM-80曲線差異太大(至少98.8%以上的維持率),這就是典型壽命不如預期的失效模式。當然,也有經常伴隨著LED內部顏色發黑,CCT藍移啊(目視LED白光變藍)。這里我只分析一下這種常見的失效模式。

  如果僅僅是LED光通量衰減太厲害,沒有其他稍微嚴重并發癥,那么我們推測出LED本身材質劣化。宏觀的來看LED出光效率低了,微觀的話要么是LED內部光子出不來,要么LED光子少了。光出不來,可能是反射器(支架)效率低了,比如PPA或者PCT黃化,膠水折射率發生變化,金屬反射層反射率降低等等。

  如此LED光子就會反射不出來,轉化為熱量,可能會有并發癥(其它核心參數CCT等出現變化)。如果是光子少了,應該就是特指LED CHIP光子少了,應該就是芯片劣化了。CHIP自由移動的電子和空穴數量減少了。材質劣化是一個正常現象。但是如果電流過大、LED過熱的話會導致封裝材質劣化,速度遠超過正常劣化的速度,就是我們所說的光通量維持率異常。(壽命異常)

  另外一種常見失效色溫,顯色指數,VF等異常。CCT藍移,R9變化,VF變化等。這些一般都是LED異常的并發癥,當然也有例外。首先說下例外的情況,也就是大家口中所說的溫升(冷熱態數據對比),這個是一個正常的現象,冷態和熱態在參數上面會因為熱的影響會出現允許范圍內的變化。

  要說常見異常的話,就是熱穩態以后數據差距太大,比如CCT 、R9或者LM等值出現大波動等。原因就比較簡單了,除了過流過熱的影響以外,還有材料本身的熱穩態不太好。比如紅色熒光粉氮化物,本身熱穩態就不會太好,會影響CCT、R9等因素。還有一種常見的異常就是化學物質對LED的影響,比如說S(揮發性硫化物)、Br(揮發性鹵化物)、o(氧氣)與鍍銀層的化學反應,或者揮發性有機物的影響。

  下面我們列舉一個典型案例,看看這種鹵化(硫化失效模式一樣)常見污染失效模式。通過頻譜對發黑部位的元素成分進行分析。案例如下圖所示:

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  二、COB的失效模式

  上面我們說了SMD LED常見的失效模式。現在我們再來聊一下COB的失效模式。就一般失效模式而言,不管是SMD LED還是COB LED,都大同小異。但是COB的失效模式可能因為其封裝形式不一樣,失效的花樣會更多一點。

  2.1 就死燈來說,根本的失效模式和SMD LED中的失效模式一樣。但是,因為COB串并數比較多,所以死燈定義不是全部死燈,而是其中一串或者幾串死燈,其他幾串還是正常亮著,如圖三所示。COB死燈也不外乎如下幾種情況:一種是線路故障問題,可能是邦定不良導致線路失效;也可能內應力(熱脹冷縮的力),COB中更為明顯,所以COB都嚴格控制管腳溫度不超過85℃(SMD LED 1W的2835 105℃都可以正常使用)導致線路失效;一種是超過允許的電流電壓問題,如下圖四所示;另外一種就是靜電擊穿問題。

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  ▲圖三 COB斷線死燈模式。只有一串亮著,其他幾串死燈

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  ▲圖四 COB燒毀死燈模式。芯片表面發黑,膠水碳化。

  所以我們如何減少這些失效的可能呢?COB LENS(黃色發光區域)比較脆弱,我們要保護好LENS區域(含白色圍壩區域),吸塑盒包裝的時候需要加防護層等等。另外,LED的驅動電流非常大,所以對線路需要一個過流保護設計。使用的時候,嚴格控制一個合理溫度也是非常重要的保護措施。具體說溫度幾何呢?

  其實,最主要的還是COB膠體玻璃化的溫度(有的是180℃,有的是200℃或者其他溫度)會改變膠水硬度,造成內應力(熱脹冷縮的力)增大,拉斷金線。可能有人會要問,chip的最高結點溫度都是125℃,你這180、200的高溫從哪里來的?我們要說的是,LED最高的溫度點其實是膠體表面的溫度,為啥呢?因為光子會在膠體表面泯滅轉化為熱量。

  2.2另外一種LED失效模式就是:壽命短,色漂移等主要指標參數出現異常。芯片、膠水、熒光粉,鍍銀層都和SMD LED接近,所以這個失效模和SMD LED失效模式類同。我就不浪費大家時間再讀一次了。

  2.3 這里特別例舉出COB其它幾種常見的失效模式。

  a、膠裂:膠體硬度發生變化產生膠裂,嚴重的導致金線斷裂(死燈)。如下圖五所示。

  b、助焊劑污染。助焊劑污染區域老化以后發黑,并伴隨局部膠裂,嚴重會導致死燈。如下圖六所示。

  C、高溫導致芯片劣化、膠水碳化以及COB基板阻焊層色變。如下圖七所示。

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  ▲圖五 COB膠裂

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  ▲圖六 COB膠體表面發黑

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  ▲圖七 COB高溫失效圖片

  從上面SMD和COB的失效模式來看,都大同小異。可能因為封裝形式或者應用領域不同,略有差異。所以我們可以總結如下幾條:合理的溫度條件能讓LED良好運行;穩定的電流能讓LED燈具的品質上升一個高度;遠離含揮發性S、鹵素和揮發性有機物;適當的操作流程和良好操作的習慣(比如COB加個藍膜,焊接完成以后再撕掉),能減少因操作帶來的損失;做好靜電防護,防止潛在失效風險。

文章關鍵字: 綠色照明
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