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LED光衰失效分析

2014-10-20  瀏覽量:894

摘要:

本文通過X射線透視檢查、LED內部結構分析、SEM/EDS檢查及LED發光溫度分析,認為造成LED光衰的原因為:封裝材料熱膨脹系數不壹樣,LED所使用熒光粉散熱性能不好,產生大量熱量聚集於LED內部,導致內部溫度過高,使LED內部不同層間出現斷裂或裂紋,與此同時工作電壓的存在使電遷移的發生產生了可能,導致K離子遷移,熒光層發光效率隨著K離子的不斷遷移而降低,黃光強度不斷降低,因此失效樣品首先出現光衰現象,然後出現藍光現象。

 

1. 案例背景

該產品使用領域為醫療方面,牙醫使用此LED作為光源,白光LED在使用壹段時間後,出現光衰及藍光現象,委托方要求分析LED光衰的失效機理,並給出改進建議。

 

2. 分析方法簡述

外觀檢查中可以比較明顯看出OK樣比NG樣熒光層顏色鮮艷。

 

LED失效分析

LED失效分析

OK樣品 

NG樣品

 

通過X射線透視檢查,OK樣和NG樣內部線路均未發現開路問題。

 

LED光衰失效分析

LED光衰失效分析

NGX射線透視  

OKX射線透視

    將OKNG切片,然後在金相顯微鏡下放大觀察熒光層與芯片層發現NG樣有斷層產生,而OK樣沒有。

 

       失效分析

通過SEM/EDS分析,OK樣熒光粉層中未檢測到鎵(Ga)元素,檢測到有鉀(K)元素,而NG樣熒光粉層檢測到Ga元素,未檢測到K元素。

 

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失效分析

熒光層形貌圖

EDS能譜圖

熒光粉層形貌圖和EDS能譜圖

 

3. 分析與討論

外觀檢查中可以比較明顯看出OK樣比NG樣熒光層顏色鮮艷;LED光譜圖14可以看出OK樣和NG樣在藍光區發光強度基本壹致,表明芯片基本沒有受損,而熒光粉發光區域出現明顯差異,NG樣藍光相對強度為32%,明顯低於OK70%

失效分析

OK樣和NG樣光譜圖

 

OK樣和NG樣熒光粉層成分差異,基本可以判定失效現象是由於熒光粉在工作過程發生變性而產生;其失效機理如下:

元素分析中我們可以看到有Lu元素和K元素的存在,熒光粉效率隨著加入鉀離子濃度的提高而增加,其發光強度逐漸增強,當鉀離子增加到壹定值後,其發光強度逐漸降低,Lu離子起到將藍光轉換為黃光作用,然後藍光和所激發黃光混合發出白光。

由溫度測試我們發現發白光的光衰NG樣品所能達到的溫度高於發藍光NG樣,表明熒光粉情況良好反而導致散熱性能相對不好,內部溫度短時間內能達到較高溫度。該產品使用領域為醫療方面,牙醫使用此LED作為光源,診斷完壹位病人需要壹定時間,診斷完後會將關掉,待下壹位病人過來有需要打開,診斷壹定時間後又關掉,如此循環往復,造成LED燈每回工作達到壹個較高溫度後又降至常溫,然後又升到較高溫後降溫,循環往復造成封裝材料熱脹冷縮,而由於不同封裝材料熱膨脹系數不壹樣,從而導致材料之間在高溫與低溫不斷變化過程中產生斷層或裂紋。正常樣和失效樣均發現有斷層現象,可能是由於正常樣已經處於失效萌生狀態。

 

發生斷層後熒光粉層與發光極接觸產生電遷移,NG樣電極上Ga離子被遷移進熒光粉層,而熒光粉層中本應有的K離子被遷移到別處。隨著K離子被遷移出熒光層,導致熒光粉發光效率不斷降低,最終導致芯片所發藍光和熒光粉層所激發黃光不匹配,從而導致正常LED燈首先經歷光衰,隨著黃光強度不斷降低,最終發出藍光。

 

4. 結論

失效LED產生光衰及藍光現象的可能原因:封裝材料熱膨脹系數不壹樣,LED所使用熒光粉散熱性能不好,產生大量熱量聚集於LED內部,導致內部溫度過高,使LED內部不同層間出現斷裂或裂紋,與此同時工作電壓的存在使電遷移的發生產生了可能,導致K離子遷移,熒光層發光效率隨著K離子的不斷遷移而降低,黃光強度不斷降低,因此失效樣品首先出現光衰現象,然後出現藍光現象。

建議:1)優化系統的散熱性能參數。

      2改善目前LED材料之間的熱膨脹系數匹配性較差的問題。

 

5. 參考標準

GJB 548B-2005 微電子器件失效分析程序-方法5003

IPC-TM-650 2.1.1-2004手動微切片法

GB/T 17359-2012 電子探針和掃描電鏡X射線能譜定量分析通則

 

作者簡介: 

MTT(美信檢測)是壹家從事材料及零部件品質檢驗、鑒定、認證及失效分析服務的第三方實驗室,網址:www.mttlab.com,聯系電話:400-850-4050

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