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广州代孕公司_深度剖析LED失效问题

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  LED的发光源是由所谓的III-V化合物所构成,即大家熟知的磊晶晶粒(chip),该固态化合物本身性质很安定,在产品所规范的条件下使用并不易损坏,而处于一般的应用环境中也不起化学反应,因此拥有较长的产品寿命。然而,为使该LED chip发光,必须由外界通入电流,因此一般会把尺寸很小的chip黏贴在特定的载台(或称导线架)上并以金属线或銲锡等材料连接chip的正负两极,然后用高分子材料包复整个载台,这就是所谓的封装制程,经过这段制程后成为市面上常见一颗颗的LED灯粒。在实际应用时,还会视所需把数颗LED灯粒组装成模组,最后再与其它功能的模组组合成为终端产品。

  从上可知,一个LED产品的失效,起因可能来自于该产品的任何一个部份,故必须抽丝剥茧方能找到真正的失效原因。针对失效来自LED灯粒而言,因完整的LED灯粒中,LED chip本身很强壮,但包复chip的封装材料则易遭受损伤,因此,LED灯粒的失效多可归因于封装材料的破坏或劣化所导致。若要充分解析这类失效,牵涉到光学、化学、材料学、电子物理学等领域的专业知识,并搭配精密的仪器与丰富的实务经验,才能确认失效点并推导真因,进而提出改善对策。

  1. 不亮:这种失效是指LED通电后完全不发光。一般而言,导电路径上的 ”断路(open)"是本类失效的主因之一,确认断路的方法也十分简易,以常见的三用电表就可验证。不过,要找到断路点就必须做进一步的解析,例如:可用X-ray来确认打线是否断线或脱离、用SEM(扫瞄式电子显微镜)观察剖面结构可检查黏晶部份的缺陷等等。本类失效的第二个主因是 ”短路(short)” ,这是因为电流未确实通过LED chip,而是流经”旁门左道”,故LED灯粒自然不会发光,如:因发生电子迁移导致电极金属原子的不正常扩散,譬如氧化铟锡(ITO)、银或是GaN/InGaN二极管中的阻挡层金属等都可能因机械应力、高电流密度或在腐蚀性的环境发生此类异状。其它的原因可能是打线偏移、黏晶胶爬胶等等。这种失效必须利用I-V curve(电流-电压图)才能判定,至于失效点因为从外观无法检查到上述缺陷,故需先以X-ray来确认;或是化学溶液去除LED封装材料后,再使用光学(OM)或电子显微镜(SEM)仔细检查。

短路爬胶

开路断线

  2. 变色:这类失效是指LED不点亮的状况下,外观颜色或胶材透明度与新品不同,用肉眼即可看出,通常在产品使用一段时间或在做完可靠度试验后发生。一般说来,变色区域大致可区分为发生在导线架或封装胶材两类,若发生在导线架,通常是因为表面与环境中的化学物质发生反应,如氧化或硫化,要分辨属于哪种需仰赖成份分析,可使用的仪器包含有EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscope)、XPS(X-ray Photoelectron Spectrometer)、AES(Augur Electron Spectroscope)等等。若是封装用的胶材发生变色,则属于高分子材料的劣化现象,如环氧树脂易受高温或是紫外光影响而变黄,因此白光LED多改采矽胶取代之。分析此类失效应特别留意,因胶材本身有一定的透明度,有时变色的导线架因被胶材盖住而误判为胶材变色,引导至错误的改善方向。

支架变色

  3. 光衰:这种失效系指LED发出的光强度低于新品。如前面章节所述,光衰程度已成为评判LED照明产品寿命的重要指标,所以这类失效的分析就相当重要。整体来说,本类失效的分析非常复杂,因为影响光强度的因素非常多,如chip劣化、反射杯的劣化、胶材与chip间脱层、胶材透明度下降、打线接合面电阻上升、热阻太高等等,若发生在白光LED,则还需考虑萤光粉劣化的问题,因白光LED通常使用一或多种的萤光粉,它们会受到热或湿气的影响而衰减并降低效率,导致产出的光色改变。分析的手法包括有:非破坏检测,如外观检查、LED电性曲线、积分球的光学特性等等,用上述数据综合判断,逐一排除,当推断可能原因后,接着进行尽管如此,仍然有一部分企业业绩惨淡。其中盈利下滑最严重者莫过于实益达,高达687.48%,破坏性分析,利用样品制备技术制作出适为帮忙厂商抢攻全球商场,工研院在2008年提出全球第1份LED路灯规范,并向波兰、泰国、菲律宾等国推行,合的分析样品,再辅以各种仪器如SAT(Scanning Acoustic Tomography)超音波扫瞄、FTIR(Fourier Transform InfraRed)傅立叶转换红外光谱仪、TEM(Transmission Electron Microscope)穿透式电子显微镜、SEM(Scanning Electron Microscope)等等加以验证,方能到真因。

白光LED光衰分析 – 黄光强度衰减

  4. ESD失效:这是一种静电放电所引起的chip破坏,在MOS IC的产品中非常重视此现象,对LED而言,过往因砷化镓(GaAs)芯片本身可导电,故这类问题并不常见,但因白光LED使用不导电的蓝宝石基板,而且基板与GaN等材料间因晶格不匹配会形成内部缺陷(如差排),对ESD的损害更为敏感。静电的放电可能产生半导体接合点(junction)立即的失效或特性的永久漂移及另外据科学家们测定,LED通电发光时,有10%的电能可以转化成光能,而白炽灯泡的转化效率只有7-8%,由此可见,要达到同等的照明效果,潜在的损坏都会导致衰减的速率增加。有几种现象可用来帮助判断chip是否遭受静电破坏,譬如反向偏压漏电流大增、chip仅局部发光、chip表面出现局部熔融点等等。有时,一开始的静电破坏的程度不高,LED的电特性、发光特性、chip表面完整性皆无异状,但这种破坏会因累积而逐渐明显,有时却也可能安然度过整个产品生命周期,一旦生产线未做好静电防护措施时,所生产的产品的客退率将会忽高忽低,面对这种现象,失效分析也未必可寻得真因,因此做好生产线静电防护措施才是最佳解决之道。

ESD失效LED GaN材料I-V curve图

静电放电破坏

  5. 其他:突然间的失效常常是因为热应力所致,当环氧树脂的封装达到玻璃转移温度(Tg)时,树脂会很快速的膨胀,在半导体和焊点接触的位置产生机械应力来弱化或扯断它,而在非常低的温度时则会让封装产生裂痕。 此外,高功率LED对电流的拥挤敏感,不均匀的电流密度分布在接合点(junction)上,可能会产生局部的热点,存在热烧毁的风险,若再出现基板的热传不均匀,将使问题变得更严重,这常见于銲接材料的孔洞或是电子迁移效应和Kirkendall空洞,故热烧毁亦是LED常见的失效模式。

  结语:LED灯粒及chip的结构与常见IC来比相对简单,但在应用时却同时涉及光、电、热等现象,所以发生失效的原因较为复杂,在失效分析时所执行的步骤反而较为多元,同时LED chip与封装结构因专利之故,各家产品并不相同,分析时所需之样品制备的复杂度也远大于常规IC,因此优良的样品制作技术、完整的分析仪器加上丰富的经验综合判断,才能获得正确的失效分析结果。

LED失效原因鱼骨图

LED失效分析流程


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