從LED光源的五大原物料淺析LED死燈的25種原因

　　今天我們就LED死燈為例，來分析有多少種原因：

　　以失效分析大數(shù)據(jù)顯示，LED死燈的原因可能過百種，限于時間，今天我們僅以LED光源為例，從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）的入手，介紹部分可能導致死燈的原因。

　　芯片

　　01、芯片抗靜電能力差

　　LED燈珠的抗靜電指標高低取決于LED發(fā)光芯片本身，與封裝材料預計封裝工藝基本無關，或者說影響因素很小，很細微；LED燈更容易遭受靜電損傷，這與兩個引腳間距有關系，LED芯片裸晶的兩個電極間距非常小，一般是一百微米以內吧，而LED引腳則是兩毫米左右，當靜電電荷要轉移時，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。

　　02、芯片外延缺陷

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

　　03、芯片化學物殘余

　　電極加工是制作LED芯片的關鍵工序，包括清洗、蒸鍍、黃光、化學蝕刻、熔合、研磨，會接觸到很多化學清洗劑，如果芯片清洗不夠干凈，會使有害化學物殘余。這些有害化學物會在LED通電時，與電極發(fā)生電化學反應，導致死燈、光衰、暗亮、發(fā)黑等現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，鑒定芯片化學物殘留對LED封裝廠來說至關重要。

　　04、芯片的受損

　　LED芯片的受損會直接導致LED失效，因此提高LED芯片的可靠性至關重要。蒸鍍過程中有時需用彈簧夾固定芯片，因此會產生夾痕。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，各項制程如清洗、蒸鍍、黃光、化學蝕刻、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。

　　芯片電極對焊點的影響：芯片電極本身蒸鍍不牢靠，導致焊線后電極脫落或損傷；芯片電極本身可焊性差，會導致焊球虛焊；芯片存儲不當會導致電極表面氧化，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散，造成失效或虛焊。

　　05、新結構工藝的芯片與光源物料的不兼容

　　新結構的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，使用含氯超標的膠水，金電極中的鋁反射層就會與膠水中的氯發(fā)生反應，從而發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

　　LED支架

　　06、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。當銅一旦出現(xiàn)氧化狀態(tài)，導熱和散熱性能都會大大的下降。所以鍍銀層的厚度至關重要。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，甚至導致嚴重事故。

　　07、鍍銀層硫化

　　LED光源怕硫，這是因為含硫的氣體會通過其多孔性結構的硅膠或支架縫隙，與光源鍍銀層發(fā)生硫化反應。LED光源出現(xiàn)硫化反應后，產品功能區(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電率增加，在使用過程中，極易出現(xiàn)漏電現(xiàn)象；更嚴重的狀況是銀層完全被腐蝕，銅層暴露。由于金線二焊點附著在銀層表面，當支架功能區(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。

　　08、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。但EDS能譜分析等純元素分析檢測手段都不易判定氧化，因為存在于空氣環(huán)境、樣品表面吸附以及封裝膠等有機物中的氧元素都會干擾檢測結果的判定，因此判定氧化發(fā)黑的結論需要使用SEM、EDS、顯微紅外光譜、XPS等專業(yè)檢測以及光、電、化學、環(huán)境老化等一系列可靠性對比實驗，結合專業(yè)的檢測知識及電鍍知識進行綜合分析。

　　09、電鍍質量不佳

　　鍍層質量的優(yōu)劣主要決定于金屬沉積層的結晶組織，一般來說，結晶組織愈細小，鍍層也愈致密、平滑、防護性能也愈高。這種結晶細小的鍍層稱為“微晶沉積層”。金鑒指出，好的電鍍層應該鍍層結晶細致、平滑、均勻、連續(xù)，不允許有污染物、化學物殘留、斑點、黑點、燒焦、粗糙、針孔、麻點、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。

　　在電鍍生產實踐中，金屬鍍層的厚度及鍍層的均勻性和完整性是檢查鍍層質量的重要指標之一，因為鍍層的防護性能、孔隙率等都與鍍層厚度有直接關系。特變是陰極鍍層，隨著厚度的增加，鍍層的防護性能也隨之提高。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入腐蝕銅基體。

　　10、有機物污染

　　金鑒還指出，因為電鍍過程中會用到各種含有機物的藥水，鍍銀層如果清洗不干凈或者選用質量較差以及變質的藥水，這些殘留的有機物一旦在光源點亮的環(huán)境中，在光、熱和電的作用下，有機物則可能發(fā)生氧化還原等化學反應導致鍍銀層表面變色。

　　11、水口料

　　塑料的材質是LED封裝支架導熱的關鍵，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械強度下降；與金屬和硅膠結合性差，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

　　12、熒光粉水解

　　氮化物的熒光粉容易水解，失效。

　　13、熒光粉自發(fā)熱的機制

　　熒光粉自發(fā)熱的機制，使得熒光粉層的溫度往往高于 LED 芯片 p－n 結。其原因是熒光粉的轉換效率并不能達到 100％，因此熒光粉吸收的一部分藍光轉化成黃光，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，而硅膠的熱導率非常低，只有 0．16 W／mK，因此熒光粉產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。當熒光粉的溫度達到 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，其光轉化效率更低，該區(qū)域將吸收更多 LED 發(fā)出的光能量并轉化更多的熱量，溫度繼續(xù)增加，使得碳化的面積越來越大。

　　固晶膠

　　14、銀膠剝離

　　導電銀膠的基體是環(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，會因為熱的問題產生應力，溫度變化劇烈的環(huán)境中效應將更為加劇，膠體本身有拉伸斷裂強度和延展率，當拉力超過時，那么膠體就裂開了。固晶膠的在界面處剝離，散熱急劇變差，芯片產生的熱不能導出，結溫迅速升高，大大加速了光衰的進程。

　　15、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構等諸多因素的影響，常出現(xiàn)銀粉沉降分層現(xiàn)象，如果沉降過快會使產品在掛漿時產生流掛 ，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、粘接強度和導電性能 。

　　16、銀離子遷移

　　某客戶用硅膠封裝，導電銀膠粘結的垂直倒裝光源出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，委托金鑒查找原因。金鑒通過對不良燈珠分析，在芯片側面檢測出異常銀元素，并可觀察到銀顆粒從底部正極銀膠區(qū)域以枝晶狀延伸形貌逐漸擴散到芯片上部P－N結側面附近，因此金鑒判定不良燈珠漏電失效極有可能為來自固晶銀膠的銀離子在芯片側面發(fā)生離子遷移所造成。銀離子遷移現(xiàn)象是在在產品使用過程中逐漸形成的，隨著遷移現(xiàn)象的加重，最終銀離子會導通芯片P－N結，造成芯片側面存在低電阻通路，導致芯片出現(xiàn)漏電流異常，嚴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，并加強燈具防水特性檢測。

　　17、固晶膠不干

　　LED封裝用有機硅的固化劑含有白金（鉑）絡合物，而這種白金絡合物非常容易中毒，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，則有機硅固化不完全，則會造成線膨脹系數(shù)偏高，應力增大。

　　封裝膠

　　18、膠水耐熱性差

　　據(jù)我們的檢測表明，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，當這種改性硅膠運用到大功率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。

　　19、膠水不干

　　LED封裝用有機硅的固化劑含有白金（鉑）絡合物，而這種白金絡合物非常容易中毒，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，則有機硅固化不完全，則會造成線膨脹系數(shù)偏高，應力增大。

　　易發(fā)生硅膠“中毒”的物質有：含N，P，S等有機化合物；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化合物。要注意下面這些物料：

　　有機橡膠：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

　　綜合型有機硅RTV橡膠：特別是使用Sn類觸媒

　　軟質聚氰乙烯：可塑劑、穩(wěn)定劑

　　焊劑

　　工程塑料：阻燃劑、增強耐熱劑、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產生的脫氣（有機硅加熱固化引起）

　　20、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，會因為熱的問題產生應力，溫度變化劇烈的環(huán)境中效應將更為加劇，膠體本身有拉伸斷裂強度和延展率，當拉力超過時，那么膠體就裂開了。

　　21、膠水含氯

　　但目前國內環(huán)氧樹脂生產企業(yè)普遍生產規(guī)模小，管理模式和生產工藝落后，操作機械自動化程度不高，導致環(huán)氧樹脂的各項參數(shù)難以保障。低品質的環(huán)氧樹脂的生產與我國現(xiàn)狀產業(yè)現(xiàn)狀有關，產業(yè)急需升級。

　　環(huán)氧樹脂中的氯不僅對支架鍍銀層、合金線或其他活潑金屬及芯片電極（鋁反射層）造成氯化腐蝕，而且也能與胺類固化劑起絡合作用而影響樹脂的固化。氯含量是環(huán)氧樹脂的一個重要物性指標，它是指環(huán)氧樹脂中所含氯的質量分數(shù)，包括有機氯和無機氯。無機氯會影響固化樹脂的電性能。有機氯含量標志著分子中未起閉環(huán)反應的那部分氯醇基團的含量，它含量應盡可能地降低，否則也要影響樹脂的固化及固化物的性能。

　　為了更高效地防電極氯腐蝕現(xiàn)象，降低整個行業(yè)的品質風險，金鑒全世界獨家向LED廠商推出“金鑒無氯認證”的檢測服務?！敖痂b無氯認證”旨在確認LED膠水和芯片是否含有超標的氯元素，檢測精度達到PPM級。認證報告內容可以在金鑒檢測網(wǎng)站www．gmatg．com查詢。 有了“金鑒無氯認證”服務，LED采購商可以放心采購有“金鑒無氯認證”的原材料，大大降低原材料采購風險。

　　金線

　　22、銅合金、金包銀合金線、銀合金線材代替金線

　　金線具有電導率大、導熱性好、耐腐蝕、韌性好、化學穩(wěn)定性極好等優(yōu)點，但金線的價格昂貴，導致封裝成本過高。在元素周期表中，過渡族金屬元素中金、銀、銅和鋁四種金屬元素具有較高的導電性能。很多LED廠商試圖開發(fā)諸如銅合金、金包銀合金線、銀合金線材來代替昂貴的金線。雖然這些替代方案在某些特性上優(yōu)于金線，但是在化學穩(wěn)定性方面卻差很多，比如銀線和金包銀合金線容易受到硫／氯／溴化腐蝕，銅線容易氧化。在類似于吸水透氣海綿的封裝硅膠來說，這些替代方案使鍵合絲易受到化學腐蝕，光源的可靠性降低，使用時間長了，LED燈珠容易斷線死燈。

　　23、直徑偏差

　　1克金，可以拉制出長度26．37m、直徑50μm（2 mil）的金線，也可以拉制長度105．49m、直徑25μm（1 mil）的金線。如果打金線長度都是固定的，如果來料金線的直徑為原來的一半，那么對打的金線所測電阻為正常的四分之一。

　　金鑒檢測指出，對于供應商來說，金線直徑越細，成本越低，在售價不變的情況下，利潤越高。而對于使用金線的LED客戶來說，采購直徑上偷工減料的金線，會存在金線電阻升高，熔斷電流降低的風險，會大大降低LED光源的壽命。1．0 mil的金線壽命，必然比1．2 mil的金線要短，但是封裝廠的簡單檢測是測試不出來，在此金鑒可以提供金線直徑的來料檢測。

　　24、表面缺陷

　?。?）絲材表面應無超過線徑5％的刻痕、凹坑、劃傷、裂紋、凸起、打折和其他降低器件使用壽命的缺陷。金線在拉制過程，絲材表面出現(xiàn)的表面缺陷，會導致電流密度加大，使損傷部位易被燒毀，同時抗機械應力的能力降低，造成內引線損傷處斷裂。

　?。?）金線表面應無油污、銹蝕、塵埃及其他粘附物，這些會降低金線與LED芯片之間、金線與支架之間的鍵合強度。

　　25、拉斷負荷和延伸率過低

　　能承受樹脂封裝時所產生的沖擊的良好金線必須具有規(guī)定的拉斷負荷和延伸率。同時，金線的破斷力和延伸率對引線鍵合的質量起關鍵作用，具有高的破斷率和延伸率的鍵合絲更利于鍵合。太軟的金絲會導致以下不良：（1）拱絲下垂；（2）球形不穩(wěn)定；（3）球頸部容易收縮；（4）金線易斷裂。太硬的金絲會導致以下不良：（1）將芯片電極或外延打出坑洞；（2）金球頸部斷裂；（3）形成合金困難；（4）拱絲弧線控制困難。

　　結語

　　在列舉這么多原因之后，我們可以歸納結論，一個LED死燈簡單的表象，可能是幾十種原因殊路同歸導致，過去LED產業(yè)遇到問題后大多蒙和猜，不能夠看出問題本質，從根本上解決問題，金鑒這樣專注于LED材料檢測的公司出來后，把很多經驗理論化，通過分工協(xié)作來自不同專業(yè)的團隊、高精密的檢測設備，集合行業(yè)失效案例大數(shù)據(jù)的基礎上，得出更加精確的結論。