LED失效分析手段研究

胡春田，張 華

（深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，深圳 518055）

LED失效分析手段研究

胡春田，張 華

（深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，深圳 518055）

介紹LED產(chǎn)品常見(jiàn)的失效分析手段，主要包含外觀檢查、電性能測(cè)試、X-Ray透視檢查、開(kāi)封檢查、金相切片分析、掃描電鏡和能譜分析等手段，并結(jié)合實(shí)際案例對(duì)幾種方法進(jìn)行描述。

LED；失效分析；X-Ray；開(kāi)封；金相切片；掃描電鏡；能譜儀

引言

與傳統(tǒng)照明燈具，即白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈相比，LED作為第四代光源，其具有綠色環(huán)保、電光轉(zhuǎn)化效率高、壽命長(zhǎng)、工作電壓低、響應(yīng)快、體積小等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于顯示、照明、背光燈諸多領(lǐng)域，其巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的應(yīng)用前景，使得LED越來(lái)越受人們的關(guān)注，但目前市場(chǎng)上的LED產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，可靠性問(wèn)題接踵而至，如何提高LED的可靠性成為了LED研究的重中之重，而對(duì)LED的可靠性研究著重點(diǎn)落在LED的失效分析上，這可從根源上解決其可靠性問(wèn)題，為L(zhǎng)ED的早期失效篩選及產(chǎn)品的質(zhì)量管理提供依據(jù)。

1 LED結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

LED即為發(fā)光二級(jí)管，是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，圖1為某公司生產(chǎn)的白光LED典型外觀圖，其結(jié)構(gòu)主要包含以下幾部分：引線(xiàn)、支架、封裝膠、鍵合絲、LED芯片、固晶膠及熒光粉。LED的可靠性和其各結(jié)構(gòu)的材料來(lái)源、生產(chǎn)工藝以及裝配過(guò)程密切相關(guān)，而通過(guò)失效分析的不同手段，可分別獲得各結(jié)構(gòu)的具體失效情況，從而對(duì)產(chǎn)品的可靠性提出中肯的建議和改進(jìn)。

2 LED失效分析手段

根據(jù)失效分析的常規(guī)原則：先無(wú)損再有損，先外觀檢查，電性能測(cè)試再破壞性分析如開(kāi)封（Decap），金相切片等，Decap后也需先無(wú)損（不引入新破壞）后破壞。LED的失效分析手段根據(jù)這原則可分為外觀檢查、電性能檢測(cè)、X-Ray透視檢查、Decap、金相切片分析、掃描電鏡和能譜分析及其它分析手段。以下通過(guò)相應(yīng)的LED案例進(jìn)行一一介紹。

圖1 LED典型外觀圖

2.1 外觀檢查

外觀檢查可通過(guò)目測(cè)和顯微鏡檢的方式進(jìn)行拍照取證，其目的意在清楚直觀的體現(xiàn)樣品外觀的真實(shí)情況以及一些難以描述的異?，F(xiàn)象，還可排除后續(xù)分析過(guò)程中引起的其它特征變化。

某公司戶(hù)外使用的LED視頻燈出現(xiàn)了死燈，針對(duì)死燈燈珠進(jìn)行外觀檢查發(fā)現(xiàn)，支架出現(xiàn)嚴(yán)重發(fā)黑，且封裝膠體中有明顯的灰塵滲入，外部膠體邊界有明顯氣泡，如圖2所示。從外觀檢查我們可以得出分析思路，后續(xù)可用能譜分析發(fā)黑物質(zhì)主要是什么，從何處引入即可。

2.2 電性能檢測(cè)

LED的主要電性參數(shù)包括正向電流、正向電壓、反向電壓、反向漏電流等。通過(guò)對(duì)電參數(shù)的測(cè)試可發(fā)現(xiàn)工作過(guò)程中LED是否出現(xiàn)參數(shù)異常，然后再根據(jù)異常的參數(shù)反推導(dǎo)致LED失效的可能原因。

某公司生產(chǎn)的LED燈板（8串16并）在出廠測(cè)試中，能正常工作，但斷電時(shí)，其中一組8串燈珠中有一顆燈珠先熄滅，同組其它7顆燈珠隨后緩慢熄滅，當(dāng)把先熄滅的燈珠換成OK的燈珠時(shí)，則無(wú)此現(xiàn)象出現(xiàn)。針對(duì)這組的8顆燈珠分別進(jìn)行電性參數(shù)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)先熄滅的燈珠其漏電流超過(guò)廠家規(guī)定值（10μ A），表現(xiàn)出明顯的異常，如圖3和圖4所示。

根據(jù)電性能測(cè)試結(jié)果，知道失效的原因是漏電流過(guò)大引起，從而我們后續(xù)的分析步驟就是從引起LED漏電的原因處著手，對(duì)可能原因進(jìn)行逐一排除再確認(rèn)，最終定位根本原因。

圖2 失效燈珠的典型外觀圖

2.3 X-Ray透視檢查

X-Ray透視的原理是根據(jù)樣品不同部位的材料對(duì)X射線(xiàn)的吸收率和透射率不同，利用X射線(xiàn)通過(guò)樣品各部位材料衰減后的射線(xiàn)強(qiáng)度檢測(cè)樣品內(nèi)部缺陷?？梢詸z查L(zhǎng)ED內(nèi)部的引線(xiàn)鍵合情況和外部的焊接情況。能看到引線(xiàn)的不連續(xù)性和損壞以及位置未對(duì)準(zhǔn)的線(xiàn)路或者焊盤(pán)等。

圖3 失效燈珠和正常燈珠的I-V曲線(xiàn)圖

圖4 失效燈珠的反向漏電流監(jiān)測(cè)圖

某公司生產(chǎn)的LED燈管，其中有個(gè)別燈珠出現(xiàn)死燈現(xiàn)象，經(jīng)X-Ray透視檢查，能明顯看到燈珠內(nèi)部金線(xiàn)在第二焊點(diǎn)處完全斷開(kāi)，如圖5所示。為進(jìn)一步確認(rèn)金線(xiàn)斷裂的原因，首先需要開(kāi)封確認(rèn)金線(xiàn)斷裂面的形狀，初步判定是機(jī)械原因還是鍵合不良造成，從而進(jìn)行更深層次的分析。

2.4 開(kāi)封檢查

開(kāi)封檢查是一種破壞性的分析方法，是用特殊的溶液（業(yè)界常用藍(lán)藥水）將LED的塑封膠去除，但能同時(shí)保持內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的完整性。

開(kāi)封只是一種用來(lái)去除塑封膠部分的單純手段，如需檢查內(nèi)部結(jié)構(gòu)則需要配合光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡或能譜儀作進(jìn)一步分析。

某公司生產(chǎn)的LED燈珠出現(xiàn)死燈現(xiàn)象，但用外力通過(guò)封裝膠體對(duì)芯片進(jìn)行按壓則能正常發(fā)光，撤去外力則不亮，用X-Ray透視發(fā)現(xiàn)金線(xiàn)在第二焊點(diǎn)處有明顯斷裂，對(duì)其進(jìn)行開(kāi)封并用掃描電鏡觀察，可以明顯看到第二焊點(diǎn)處的金線(xiàn)完全斷裂，且斷口有頸縮及金屬材料的機(jī)械拉尖特征，如圖6所示，故可判定金線(xiàn)的斷裂屬于機(jī)械應(yīng)力造成。

某公司生產(chǎn)的三芯片白光LED模塊中，其中有少數(shù)幾個(gè)顆燈珠的藍(lán)光芯片不亮，通過(guò)外觀檢查，X-Ray透視檢查均沒(méi)發(fā)現(xiàn)異常，將藍(lán)光芯片不亮的燈珠進(jìn)行開(kāi)封發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光芯片的負(fù)極電極有明顯脫落，如圖7所示。用外力拉斷負(fù)極金線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)電極連同金球從芯片表面完全剝離，通過(guò)能譜分析電極所在位置的芯片表面，無(wú)異常元素發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明電極脫落和芯片表面的污染無(wú)關(guān)，可能和電極的制作工藝有關(guān)，需和電極制作廠商取得進(jìn)一步聯(lián)系確認(rèn)。

圖5 失效燈珠的X-Ray透視圖

2.5 金相切片觀察

金相切片是一種觀察樣品截面組織結(jié)構(gòu)情況的最常用的的制樣手段，屬于破壞性分析方法，切片后的樣品同樣也需要用立體顯微鏡、金相顯微鏡或者掃描電鏡來(lái)進(jìn)行觀察拍照，也可用能譜儀進(jìn)行成分分析。

針對(duì)LED的失效分析，金相切片的位置常選擇金線(xiàn)的第一焊點(diǎn)和第二焊點(diǎn)處，在金線(xiàn)的第一焊點(diǎn)處可對(duì)芯片的垂直結(jié)構(gòu)有一個(gè)全部而且直觀的體現(xiàn)，既能看到各層自身的缺陷，包括：支架、固晶膠、襯底、外延層、電極、金球、熒光粉以及封裝樹(shù)脂，還能看到層與層之間的粘接及焊接情況。在第二焊點(diǎn)處則主要是觀察第二焊點(diǎn)的焊接情況等。

圖6 失效燈珠開(kāi)封后的SEM圖

圖7 失效燈珠開(kāi)封后的藍(lán)光芯片SEM圖

某公司生產(chǎn)的白光LED燈管，在出廠前的老化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分燈珠點(diǎn)亮后間隔半小時(shí)到兩小時(shí)就自動(dòng)變暗熄滅了，但室溫恢復(fù)至少2h后仍可以重新點(diǎn)亮，需分析原因。通過(guò)外觀檢查，X-Ray透視檢查未發(fā)現(xiàn)明顯的問(wèn)題，對(duì)失效燈珠進(jìn)行開(kāi)封發(fā)現(xiàn)，在正極金線(xiàn)的第二焊點(diǎn)處金線(xiàn)有斷裂，于是對(duì)其它的失效燈珠的第二焊點(diǎn)進(jìn)行切片分析并用掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)金線(xiàn)的第二焊點(diǎn)有的有縮頸（見(jiàn)圖8），有的有明顯的裂紋（見(jiàn)圖9），因?yàn)槭窃诔鰪S前的老化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，故一開(kāi)始可以點(diǎn)亮，時(shí)間一長(zhǎng)，這些金線(xiàn)都會(huì)形成開(kāi)路造成燈珠死燈。

圖8 失效燈珠1第二焊點(diǎn)切片后的SEM圖

圖9 失效燈珠2第二焊點(diǎn)切片后的SEM圖

圖10 失效燈珠開(kāi)封后的SEM圖

2.6 掃描電鏡和能譜分析

掃描電子顯微鏡簡(jiǎn)稱(chēng)掃描電鏡，是用來(lái)觀察樣品表面形貌的設(shè)備，和能譜儀的搭配使用，可以對(duì)所觀察區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)、線(xiàn)和面的成分分析。

在LED的失效分析應(yīng)用中，掃描電鏡和能譜儀的數(shù)據(jù)常作為結(jié)論的一種判據(jù)，起到畫(huà)龍點(diǎn)睛的作用。

某公司生產(chǎn)的LED在存放過(guò)程中檢查發(fā)現(xiàn)有死燈現(xiàn)象，通過(guò)外觀檢查和X-Ray透視都未發(fā)現(xiàn)異常，電性能檢測(cè)發(fā)現(xiàn)LED漏電非常明顯，懷疑是倉(cāng)庫(kù)的存儲(chǔ)不當(dāng)所產(chǎn)生的靜電放電引起的，于是對(duì)失效的LED燈珠進(jìn)行開(kāi)封，并用掃描電鏡觀察，在芯片正極周?chē)拇_觀察到了典型的靜電擊穿特征，如圖10所示，因此問(wèn)題得以迎刃而解。

2.7 其它分析

除了以上幾種常見(jiàn)的分析手段之外，在分析過(guò)程中，我們還可能會(huì)涉及到封裝樹(shù)脂的熱學(xué)性能分析，如熱膨脹系數(shù)等。尋找靜電擊穿特征所需用的微光顯微鏡（EMMI）等。失效分析是綜合性的分析，涉及到電學(xué)、材料學(xué)、熱學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域，因此只要能通過(guò)一定的手段找到失效原因的，都可以拿來(lái)應(yīng)用到這上面進(jìn)行更詳盡的分析。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合具體的LED失效分析案例對(duì)常用的LED失效分析手段進(jìn)行了介紹，旨在引出LED失效分析的思路，明確每一種手段的目的和意圖，使分析過(guò)程更加有目的性。

[1] 蘇永道,吉愛(ài)華,趙超 . LED封裝技術(shù)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社, 2010.

[2] 姚立真.可靠性物理[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

The Failure Analysis Means of LED

HU Chun-tian, ZHANG Hua
（Shenzhen Academy of Metrology & Quality Inspection, Shenzhen 518055）

This paper introduces the common means of LED failure analysis, mainly including visual inspection, electrical performance test, X-Ray inspection, decapsulation inspection, microsection inspection, SEM & EDS analysis, etc., and it describes these methods combined with actual cases.

LED; failure analysis; X-Ray; decap; microsection; SEM (scanning electron microscope); EDS (energy disperse spectroscopy)

TN383

A

1004-7204(2014)05-0052-04

胡春田（1984-），女，湖南婁底人，工學(xué)碩士，環(huán)境與可靠性試驗(yàn)室工程師。

張 華（1979-），男，江西萍鄉(xiāng)人，工學(xué)碩士，環(huán)境與可靠性試驗(yàn)室工程師。