COB封裝中LED失效原因

COB封裝中LED失效原因

雖然從技術(shù)角度LED芯片理論壽命可達100000H，但由于封裝、驅(qū)動、散熱等技術(shù)的影響，應(yīng)用到普通照明類的光源或燈具壽命也只能達到30000H，甚至市場上也存在很多用不到半年就會出問題的產(chǎn)品。如何提高LED照明產(chǎn)品可靠性問題也一直是企業(yè)需要解決的問題。

LED照明產(chǎn)品失效模式一般可分為：芯片失效、封裝失效、電應(yīng)力失效、熱應(yīng)力失效、裝配失效。通過對這些失效現(xiàn)象的分析和改進，可對我們設(shè)計和生產(chǎn)高可靠性的LED照明產(chǎn)品提供幫助。

本文介紹了基于COB封裝技術(shù)的LED照明產(chǎn)品失效模式及幾種常見原因分析。并闡述了在COB封裝、整燈結(jié)構(gòu)設(shè)計等應(yīng)用過程中預(yù)防和改善對策。

基于COB的LED產(chǎn)品特點

LED照明產(chǎn)品由三個主要部件組成，即散熱結(jié)構(gòu)件、驅(qū)動電源和照明部分。照明部分由光源和二次光學(xué)配光組件(如透鏡、反射鏡和擴散板)組成，典型應(yīng)用模型見圖一。做為LED照明產(chǎn)品中的光源部分是核心部件，是實現(xiàn)光電性能的基礎(chǔ)器件。而基于COB技術(shù)是光源的一種封裝形式，其本身不再需要任何自動表面貼裝過程，只需要將正負極簡單引出焊接即可組裝到基體或照明燈具。如圖1顯示了其在LED照明產(chǎn)品中重要的關(guān)鍵組件。這些組件是，尤其是COB在大多數(shù)情況下，均是采用手工組裝。這就造成在生產(chǎn)過程中很可能要比在一個自動的過程中產(chǎn)生更多潛在故障。

COB失效的原因分析

如圖所示，基于COB的LED封裝技術(shù)是將多顆芯片采用不同的串并結(jié)構(gòu)再用絲焊的方法在芯片和基底之間建立電氣連接，最后使用灌封膠封裝而成。此種結(jié)構(gòu)決定了COB內(nèi)部任何單顆芯片的不良，將會導(dǎo)致剩余。

芯片電流負載增加，繼而單顆vf值上升，使驅(qū)動電源進入輸出過壓保護狀態(tài)，輸出異常導(dǎo)致剩余支路閃爍直至死燈。排除芯片本身不良的原因，大部分情況下表現(xiàn)為芯片間鍵和不良，常規(guī)下我們把鍵和中單個焊線分為A、B、C、D、E五個關(guān)鍵點，如圖3所示。而鍵和不良本人在實踐中遇到了以下幾種常見原因。

(1)機械應(yīng)力損傷，一般會出現(xiàn)在B、C、D點不良，且C點居多。

常見根本原因有：①如出現(xiàn)為B或D點不良，且居多出現(xiàn)在圍壩邊緣如圖2中中間圖片紅色圓圈部位。則很有可能是因為結(jié)構(gòu)干涉導(dǎo)致。導(dǎo)致干涉的原因需要從鏡面鋁中心與芯片布局中心是否偏離和整燈結(jié)構(gòu)是否預(yù)留足夠的間隙等方面進行進一步探討和確認。②如出現(xiàn)在C點不良，且居多出現(xiàn)在中間部位，貝帳本原因會是因為封裝或組裝制造過程防護不當(dāng)導(dǎo)致。

(2)焊接不良，一般會出現(xiàn)在A、B、D、E點不良

且拉力測試時力值合格但斷裂點會出現(xiàn)在A、B、D、E點處，例如圖4為D點斷開狀態(tài)。

這種情況下可以確定為焊接工藝不當(dāng)或焊接設(shè)備不穩(wěn)定導(dǎo)致，可根據(jù)具體的失效項目如塌線、斷線、金球過大、過小等情況調(diào)整焊線溫度、功率、壓力、時間等工藝參數(shù)予以解決。

(3)封裝膠應(yīng)力損傷，一般會出現(xiàn)在A、B、D、E點不良且不良只會發(fā)生在圍壩膠和封裝膠結(jié)合處的周圍，在高倍顯微鏡下觀察膠體結(jié)合面處存在間隙的可能。

這種不良的根本原因往往是因為兩種膠體熱膨脹系數(shù)的差異，導(dǎo)致應(yīng)力集中，將焊點拉斷導(dǎo)致。

改善措施

通過對以上所介紹的COB主要失效模式的分析，可以從中獲悉改善實際使用壽命的技術(shù)方法。

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計

好的結(jié)構(gòu)設(shè)計既要保證功能的實現(xiàn)，也要做到防錯處理。基于COB封裝技術(shù)的LED本身就是一個易損傷器件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中處理二次光學(xué)配光組件安裝及固定時，需要考慮預(yù)留足夠的間隙，保證在極限公差情況下和組裝過程中誤操作也不能夠或盡可能減少損傷COB的風(fēng)險。

2)封裝技術(shù)

封裝制程中，我們把焊線拉力測試作為衡量鍵和合格判定的一個重要的指標(biāo)。而且在質(zhì)量控制過程中，往往認為拉力越大產(chǎn)品可靠性越好。實踐證明這是一個錯誤的做法，尤其在COB的焊線工藝中對邊緣鍵和質(zhì)量的衡量上，太大或過小均會導(dǎo)致不良的產(chǎn)生。具體拉力規(guī)范限值需要根據(jù)產(chǎn)品特點進行研究和探討。

另一方面，選擇合適的封裝膠及封膠工藝。盡可能采用熱膨脹系數(shù)相近的膠，而且需要確定合適的烘干溫度和時間以確保凝固速度的一致，防止內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生。

(3)制程防護

COB器件由于芯片為陣列排布，發(fā)光裸露面大，焊線、芯片耐外力能力差，且封裝膠體本身不能起到很好的防護作用。故在制程過程中采用合適的包裝、流轉(zhuǎn)載具、取拿工具、固定取拿方式可以杜絕或降低機械損傷。

(4)合理篩選

雖然篩選不能最終提升產(chǎn)品品質(zhì)，但可以防止不合格品的流出。為了篩選出COB不良器件，可以采取在一定溫度下的老化、測試工作。COB器件可在高溫下進行點亮測試，溫度不宜高于PN節(jié)結(jié)溫溫度。如果采取整燈老化，溫度推薦不宜超過宣稱最高環(huán)境溫度，時間可隨溫度的提高而減少。具體參數(shù)需要根據(jù)產(chǎn)品特性進行研究和確定。

(5)優(yōu)化可靠性驗證方案

產(chǎn)品是否能夠滿足使用要求，需要對其進行充分的驗證?？紤]到LED產(chǎn)品不管是國際還是國內(nèi)目前還沒有針對LED產(chǎn)品的可靠性試驗規(guī)范，目前常規(guī)做法是參照GB/T2423、GB/T24825等標(biāo)準(zhǔn)進行高溫、低溫、濕熱交變、開關(guān)沖擊等可靠性試驗。但在實踐中我們發(fā)現(xiàn)這樣的方法不足以發(fā)現(xiàn)失效，即已經(jīng)確定存在可靠性失效的產(chǎn)品也能通過此類試驗驗證。故我們需要針對產(chǎn)品工作環(huán)境及特殊的用途論證制定符合基于COB封裝技術(shù)

LED特性的可靠性試驗方案。結(jié)合快速變化的市場，調(diào)整可靠性試驗條件如溫度、濕度、安裝方式、客戶的使用習(xí)慣等多種要素來創(chuàng)新選擇可靠性驗證的方案。實現(xiàn)在盡可能短的時間內(nèi)推出質(zhì)量可靠的產(chǎn)品。

結(jié)束語

綜上所述，盡管成本低、散熱性好的基于COB封裝技術(shù)的LED產(chǎn)品具有很高的理論壽命，但是在實際應(yīng)用過程中目前還不能達到所預(yù)期的理論值。但是只要能夠追查到失效的根本原因，采取措施進行改善并得到有效驗證，LED產(chǎn)品的可靠性將會得到不斷的提高。