LED光衰失效案例分析

1. 案例背景

該產(chǎn)品使用領(lǐng)域為醫(yī)療方面，牙醫(yī)使用此LED作為光源，白光LED在使用一段時間后，出現(xiàn)光衰及藍(lán)光現(xiàn)象，委托方要求分析LED光衰的失效機(jī)理，并給出改進(jìn)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。

通過X射線透視檢查，OK樣和NG樣內(nèi)部線路均未發(fā)現(xiàn)開路問題。

將OK和NG切片，然后在金相顯微鏡下放大觀察熒光層與芯片層發(fā)現(xiàn)NG樣有斷層產(chǎn)生，而OK樣沒有。

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。

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(lán)光區(qū)發(fā)光強(qiáng)度基本一致，表明芯片基本沒有受損，而熒光粉發(fā)光區(qū)域出現(xiàn)明顯差異，NG樣藍(lán)光相對強(qiáng)度為32%，明顯低于OK樣70%；

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(xiàn)象是由于熒光粉在工作過程發(fā)生變性而產(chǎn)生；其失效機(jī)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(fā)光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，當(dāng)鉀離子增加到一定值后，其發(fā)光強(qiáng)度逐漸降低，Lu離子起到將藍(lán)光轉(zhuǎn)換為黃光作用，然后藍(lán)光和所激發(fā)黃光混合發(fā)出白光。

由溫度測試我們發(fā)現(xiàn)發(fā)白光的光衰NG樣品所能達(dá)到的溫度高于發(fā)藍(lán)光NG樣，表明熒光粉情況良好反而導(dǎo)致散熱性能相對不好，內(nèi)部溫度短時間內(nèi)能達(dá)到較高溫度。該產(chǎn)品使用領(lǐng)域為醫(yī)療方面，牙醫(yī)使用此LED作為光源，診斷完一位病人需要一定時間，診斷完后會將關(guān)掉，待下一位病人過來有需要打開，診斷一定時間后又關(guān)掉，如此循環(huán)往復(fù)，造成LED燈每回工作達(dá)到一個較高溫度后又降至常溫，然后又升到較高溫后降溫，循環(huán)往復(fù)造成封裝材料熱脹冷縮，而由于不同封裝材料熱膨脹系數(shù)不一樣，從而導(dǎo)致材料之間在高溫與低溫不斷變化過程中產(chǎn)生斷層或裂紋。正常樣和失效樣均發(fā)現(xiàn)有斷層現(xiàn)象，可能是由于正常樣已經(jīng)處于失效萌生狀態(tài)。

發(fā)生斷層后熒光粉層與發(fā)光極接觸產(chǎn)生電遷移，NG樣電極上Ga離子被遷移進(jìn)熒光粉層，而熒光粉層中本應(yīng)有的K離子被遷移到別處。隨著K離子被遷移出熒光層，導(dǎo)致熒光粉發(fā)光效率不斷降低，最終導(dǎo)致芯片所發(fā)藍(lán)光和熒光粉層所激發(fā)黃光不匹配，從而導(dǎo)致正常LED燈首先經(jīng)歷光衰，隨著黃光強(qiáng)度不斷降低，最終發(fā)出藍(lán)光。

4. 結(jié)論

失效LED產(chǎn)生光衰及藍(lán)光現(xiàn)象的可能原因：封裝材料熱膨脹系數(shù)不一樣，LED所使用熒光粉散熱性能不好，產(chǎn)生大量熱量聚集于LED內(nèi)部，導(dǎo)致內(nèi)部溫度過高，使LED內(nèi)部不同層間出現(xiàn)斷裂或裂紋，與此同時工作電壓的存在使電遷移的發(fā)生產(chǎn)生了可能，導(dǎo)致K離子遷移，熒光層發(fā)光效率隨著K離子的不斷遷移而降低，黃光強(qiáng)度不斷降低，因此失效樣品首先出現(xiàn)光衰現(xiàn)象，然后出現(xiàn)藍(lán)光現(xiàn)象。

建議：1）優(yōu)化系統(tǒng)的散熱性能參數(shù)。

      2）改善目前LED材料之間的熱膨脹系數(shù)匹配性較差的問題。

5. 參考標(biāo)準(zhǔn)

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