LED光源死燈的原因分析

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），都有可能導(dǎo)致其死燈的情況發(fā)生。

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)計封裝工藝基本無關(guān)，或者說影響因素很小，很細(xì)微；LED燈更容易遭受靜電損傷，這與兩個引腳間距有關(guān)系，LED芯片裸晶的兩個電極間距非常小，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，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。

芯片外延缺陷

LED外延片在高溫長晶過程中，襯底、MOCVD反應(yīng)腔內(nèi)殘留的沉積物、外圍氣體和Mo源都會引入雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會滲入磊晶層，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，這些也會嚴(yán)重影響外延片薄膜材料的晶體質(zhì)量和性能。

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，會接觸到很多化學(xué)清洗劑，如果芯片清洗不夠干凈，會使有害化學(xué)物殘余。這些有害化學(xué)物會在LED通電時，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LED封裝廠來說至關(guān)重要。

芯片的受損

LED芯片的受損會直接導(dǎo)致LED失效，因此提高LED芯片的可靠性至關(guān)重要。蒸鍍過程中有時需用彈簧夾固定芯片，因此會產(chǎn)生夾痕。黃光作業(yè)若顯影不完全及光罩有破洞會使發(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，因此會有晶粒電極刮傷的情況發(fā)生。

芯片電極對焊點(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，會導(dǎo)致焊球虛焊；芯片存儲不當(dāng)會導(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。

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與膠水中的氯發(fā)生反應(yīng)，從而發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

鍍銀層過薄

市場上現(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)熱和散熱性能都會大大的下降。所以鍍銀層的厚度至關(guān)重要。同時，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。

鍍銀層硫化

LED光源怕硫，這是因?yàn)楹虻臍怏w會通過其多孔性結(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)會黑化，光通量會逐漸下降，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。

鍍銀層氧化

金鑒檢測在接觸的LED發(fā)黑初步診斷的業(yè)務(wù)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)。但EDS能譜分析等純元素分析檢測手段都不易判定氧化，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)物中的氧元素都會干擾檢測結(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)檢測以及光、電、化學(xué)、環(huán)境老化等一系列可靠性對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)合專業(yè)的檢測知識及電鍍知識進(jìn)行綜合分析。

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，一般來說，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”。金鑒指出，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通過孔隙進(jìn)入腐蝕銅基體。

有機(jī)物污染

因?yàn)殡婂冞^程中會用到各種含有機(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。

水口料

塑料的材質(zhì)是LED封裝支架導(dǎo)熱的關(guān)鍵，金鑒檢測發(fā)現(xiàn)如果PPA支架是水口料，會使PPA的塑料性能降低，從而產(chǎn)生以下問題：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，沒用幾個月燈就暗了。

熒光粉水解

氮化物的熒光粉容易水解，失效。

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，會使熒光粉顆粒附近的硅膠出現(xiàn)碳化。一旦有某個地方的硅膠出現(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越大。

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，會因?yàn)闊岬膯栴}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)拉力超過時，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。

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，如果沉降過快會使產(chǎn)品在掛漿時產(chǎn)生流掛 ，涂層厚薄不均勻 ，乃至影響到涂膜的物化性能，分層也會影響器件的散熱、粘接強(qiáng)度和導(dǎo)電性能 。

銀離子遷移

在產(chǎn)品使用過程中會逐漸形成銀離子遷移現(xiàn)象，隨著遷移現(xiàn)象的加重，最終銀離子會導(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作用下沿芯片側(cè)面發(fā)生遷移。因此金鑒檢測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。

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，則會造成線膨脹系數(shù)偏高，應(yīng)力增大。

膠水耐熱性差

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，會出現(xiàn)膠體發(fā)黃發(fā)黑開裂死燈等現(xiàn)象。

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）

封裝膠線膨脹系數(shù)過大

在燈珠的冷熱沖擊使用環(huán)境中，會因?yàn)闊岬膯栴}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)拉力超過時，那么膠體就裂開了。