LED封装老化失效分析

引言

LED背光灯技术作为新型下一代绿色光源，尚存在很多没有解决的问题。其中包括一致性较差、成本较高和可靠性差等问题，而在实际使用过程中，会遇到高温、高湿等恶劣环境，放大LED光源缺陷，加速材料老化，使LED光源快速失效。

本文以LED封装老化失效为例，通过x-ray检测、光参数测试、开封检查、切片分析等方法，分析其失效机理，并提出改善建议。

一、案例背景

对LED背光灯条进行测试分析，查找其灯珠光衰暗亮原因。

二、分析过程

1.失效复现

为了观察失效灯条发光状况，对失效灯条及正常灯条点亮观察：

失效灯条与正常灯条一同点亮时，明显观察到失效灯条暗亮现象。对失效灯条单独点亮时，灯条整体暗亮，但暗亮程度不一。

2．外观检查

利用体视显微镜对失效灯条及正常灯条进行外观检查：

失效灯珠与正常灯珠外观未发现开裂、破损等异常现象，但失效灯条较正常灯条存在以下差异：①灯珠封装胶体黄变；②PCB白油发黄变色。

以上现象表明，失效灯条服役环境温度较高。

图1.失效灯条及正常灯条外观检查照片

3.X-Ray透视检查

如图所示，失效灯条PCB线路完好，未见明显异常。失效灯条LED灯珠、二极管、电阻等器件内部结构完整，无异常。

失效灯条与正常灯条内部结构未见明显差异。

图2. 失效灯条与正常灯条X-Ray透视检查照片

4.半导体特性分析

利用半导体测试设备，对失效灯条、正常灯条分别进行I-V半导体特性测试，结果如下：

（1）对灯条整体I-V特性测试时，失效灯条与正常灯条I-V特性曲线完全重合，无差异；

（2）对LED灯珠两端单独测试时，失效灯条上所有LED灯珠I-V特性与正常灯珠无明显差异。

由以上结果可知，失效灯条线路连接正常，电子器件功能正常，推测LED灯珠暗亮与封装材料透光性有关。

备注：蓝色曲线为正常样品实测曲线，红色曲线为失效样品实测曲线。

图3.灯条整体I-V特性测试结果

备注：蓝色曲线为正常样品实测曲线，红色曲线为失效样品实测曲线。

图4.单颗灯珠I-V特性测试结果

5．单颗灯珠点亮观察

对切割后单颗LED灯珠进行点亮观察。

NG灯条上LED11灯珠较其他灯珠相对偏亮，但亮度明显低于正常灯珠，点亮现象与失效复现时点亮结果一致，即失效现象与LED灯珠状态相关，与互连电路和其他器件无关。考虑到LED灯珠半导体特性完全一致，说明LED灯珠暗亮与封装材料状态存在极大的相关性。

6．光参数测试

取失效灯条NG和正常灯条OK分别点亮，测试其光参数。

测试结果显示：失效灯条与正常灯条主波长、显示指数无明显差异，而光通量远低于正常灯条，近红外波段异常凸显，说明失效灯珠的发热量较大。

图5.失效灯条及正常灯条光谱图

7．开封观察

为了确认晶元本身是否正常，对失效灯珠及正常灯珠开封，观察晶元表面状态，并借助探针台相同电压条件下点亮失效晶元与正常晶元，观察晶元发光状况。

失效灯珠及正常灯珠开封后，晶元表面完好，未发现明显异常现象。（两者晶元结构不同）

相同电压条件下，失效灯珠晶元与正常灯珠晶元亮度无明显差异，故排除晶元本身异常导致灯珠光衰严重的可能性。

图6.失效灯珠及正常灯珠开封后观察照片

图7.失效灯珠及正常灯珠开封后晶元点亮照片

8.剖面观察

为了确认LED灯珠封装胶体及荧光粉老化情况，对失效灯珠及正常灯珠切片，利用体视显微镜、金相显微镜及扫描电子显微镜分别对切片后截面进行观察：

失效灯珠切片后发现以下异常：①封装胶体整体变暗；②晶元表面封装胶体老化严重。正常灯珠未发现封装胶体老化迹象。

失效灯珠封装胶体的老化说明灯珠服役温度过高，灯珠内部最高温度即结温，故晶元表面老化程度最高。

图8.失效灯珠及正常灯珠切片后截面观察照片

三、总结分析

（1）外观检查结果显示，失效灯珠存在封装胶体黄变、PCB白油发黄变色现象，表明失效灯条服役温度过高；

（2）半导体特性分析及单颗LED灯珠点亮观察结果显示，失效灯条线路连接正常，电子元器件功能正常，所有灯珠I-V半导体特性正常。

（3）光参数测试结果显示，失效灯条光通量远低于正常灯条，且近红外光谱异常；

（5）开封后，失效灯珠晶元与正常灯珠晶元亮度无明显差异，排除晶元本身异常对灯珠暗亮的影响；

（6）剖面观察结果显示，失效灯珠封装胶体呈现老化现象，尤其晶元表面封装胶体老化严重。

四、结论与建议

综合以上测试结果可知，LED灯珠光衰暗亮的原因为：封装胶体受热老化发黑，老化后的封装胶体降低了材料透光性。

建议：对灯条的服役环境进行确认，高度怀疑终端产品热设计存在极大问题，并未对LED结温有效管理。

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