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LED光衰失效分析

嘉峪檢測網        2015-12-22 09:16

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在使用一段時間后,出現光衰及藍光現象,委托方要求分析LED光衰的失效機理,并給出改進建議。


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。

 

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。

 

 

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現NG樣有斷層產生,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樣在藍光區發光強度基本一致,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%,明顯低于OK樣70%;

 

 

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于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,當鉀離子增加到一定值后,其發光強度逐漸降低,Lu離子起到將藍光轉換為黃光作用,然后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于發藍光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,診斷完一位病人需要一定時間,診斷完后會將關掉,待下一位病人過來有需要打開,診斷一定時間后又關掉,如此循環往復,造成LED燈每回工作達到一個較高溫度后又降至常溫,然后又升到較高溫后降溫,循環往復造成封裝材料熱脹冷縮,而由于不同封裝材料熱膨脹系數不一樣,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,可能是由于正常樣已經處于失效萌生狀態。
發生斷層后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一樣,LED所使用熒光粉散熱性能不好,產生大量熱量聚集于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,然后出現藍光現象。
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

 

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來源:深圳市美信檢測技術有限

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