黄捷铭
广东德力光电有限公司
摘要：在我国快速发展的过程中，本文按照失效分析的流程，对一款失效的LED产品进行分析。外观检查发现失效LED表面发黑，X－Ｒay探测仪发现LED内部引线断开，SEM电镜检测表明LED芯片外延层烧毁，线径端口烧融的现象，EDS能谱仪成分分析并未发现异常元素，温度测试结果表明LED产品温度超出了LED正常使用的环境温度，热阻分析表明LED芯片结温远高于芯片允许的极限结温，因此LED在老化过程中出现死灯，是由于LED贴片过于密集，热量无法散出，导致芯片结温过高而失效，同时驱动电源输出存在尖峰脉冲，加剧芯片囤积热量，导致失效。因此优化散热和电源的设计是提高LED可靠性的重要方法。
关键词：LED驱动电源;芯片失效;热阻;可靠性;失效分析
引言
2017年，全球LED行业市场规模约为6481亿美元，预计2020年中国LED照明的渗透率达到60％－70％，将逐步成为新一代的照明光源。对使用者来说，LED灯具寿命是所有参数中最重要的一个，理论上，LED灯具的寿命能达到10万小时，但其电光转换效率仅有10%到15%，其余部分则全部变为热量排放，影响其发光性能及缩短了实际寿命。业界普遍认为只有解决了LED灯具实际寿命远小于理论寿命的问题，才能真正取代传统照明得到大面积推广。普通条件外推法为最常见的灯具寿命测试方法。但根据LED的理论寿命，其测试时间将长达十数年，此试验周期长、成本高，并不适用LED灯具。因此，对LED寿命加速试验模型及其可靠性的研究是非常必要的。
1概述
1.1LED失效时期
LED器件的失效率可划分为三个时期，即早期失效期，产品使用初期的故障率较高，且具有迅速下降的特点。使用一段时间后，产品的性能处于平稳状态，这一阶段称为随机失效期。产品投入使用相当长的时间后，随着老化、疲劳、磨损、腐蚀等耗损性因素的产生，产品将进入耗损失效期，其故障率会随时间迅速上升，并随时会出现报废现象。
1.2恒定应力加速老化研究进展
为了实现LED照明产品寿命的快速估算，许多科研人员针对在恒定应力加速下的老化实验研究。S.I.Chan等人研究了恒定温度与湿度，加速对LED光源的老化，研究其失效机理。袁长安等人根据LM-80-08标准，研究了LED灯具恒定温度应力条件下的加速老化实验，该实验根据e指数衰减理论，将LM-80-08标准规定的测试时间从6000小时最终降至1300小时，大大缩减了寿命老化时间。张斌等人对LED灯具进行了高温高湿的加速老化实验，其针对影响LED失效的主要模式，选择采用Conffin-Manson加速模型，计算出不同水平应力下失效模型的寿命分布。经过大量文献总结，发现LED照明在恒定应力寿命预测实验中主要存在两个问题：一个是实验适当的结束时间，另一个为建模方法的选龋
2LED灯具的失效分析
LED灯具的失效主要可以从电应力、热应力、机械应力、封装等几方面进行分析。其中电应力导致的失效主要指LED产品遭电流过载或静电冲击而引起的失效，热应力失效主要是由于灯具内部温度过高，超过其额定值，使某些系统或模块发生失效。机械应力失效是LED灯具在生产、运输过程中，内部组件遭到超过其承受值的应力导致结构位移而引发的失效。封装失效则是设计或生产工艺不合理而引起的失效。在进行LED灯具失效分析时，不仅要对整个系统进行分析，还要对各子系统及模块进行失效分析。综合相关资料，根据灯具的实际情况，分析各个子系统的失效模式及此模式对灯具性能的影响。
3对产品进行老化测试
老化是电子产品可靠性的重要保证,是产品生产的最后必不可少的一步。LED产品在老化后可以提升效能,并有助于后期使用的效能稳定。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆LED老化测试在产品质t控制是一个非常重要的环节,但在很多时候往往被忽视,无法进行正确有效的老化。LED老化测试是根据产品的故障率曲线即浴盆曲线的特征而采取的对策,以此来提高产品的可旅性,但这种方法并不是必需的,毕竟老化测试是以牺牲单颗LED产品的寿命为代价的。LED老化方式包括恒流老化及恒压老化。恒流源是指电流在任何时间都恒定不变的。有频率的问题,就不是恒流了,那是交流或脉动电流。交流或脉动电流源可以设计成有效值恒定不变,但这种电源无法称做恒流源。恒流老化是最符合LED电流工作特征,是最科学的LED老化方式;过电流冲击老化也是厂家最新采用的一种老化手段,通过使用频率可调,电流可调的恒流源进行此类老化.以期在短时间内判断LED的质t预期寿命,并且可挑出很多常规老化无法挑出的隐患LED。
4案例分析
4.1无损检测
取下外观发黑的LED样品，对失效样品进行无损检测，用光学显微镜对失效样品外观检查，发现LED芯片外围存在发黑的现象，利用恒流源表对发黑LED进行光电参数测试，LED呈现开路状态，利用X－Ｒay检测仪对失效样品进行X射线无损探测，发现LED内部芯片电极与引线的结合处出现断开的现象.
4.2SEM及能谱分析
利用电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对失效LED芯片外延层发黑处定点分析，芯片外延层烧毁，引线端口与芯片电极出现烧融现象，芯片外延烧毁处含有C、O、Al、Si、Ga元素，分别来自荧光粉和芯片外延层，并未发现异常元素;由此可以推断，LED芯片在大电流下外延层和引线被烧毁是LED失效的主要原因。
4.3化学开封
为了进一步研究其失效机理，对失效的LED进行化学开封分析，利用化学溶液，对失效LED表面的封装胶进行溶解，分析其内部的结构，成分等问题。利用基恩士三维显微镜对化学开封后的LED外观检查，LED芯片外延层表面电极附近存在发黑的现象，芯片电极与引线断开，初步判定LED失效的原因是LED芯片失效。化学开封分析得出，LED失效的原因是大电流下芯片外延层和引线被烧毁。为了追溯失效源头，对LED产品上的驱动电源进行分析，利用示波器检测LED上的回路电流，示波器测试结果表明，电源稳定时输出电流峰峰值为67．2mA，平均值为38．7mA，电源输出峰峰值为87．6mA，平均值为30．9mA，而LED额定电流为60mA，其最大值比额定值要高，因此驱动电源输出存在较大的电流波动及较高瞬间脉冲电流。故电源输出存在较大隐患，需优化电源输出设计。
4.4优化验证
由于灯板上LED设计过于密集，导致散热不良，而且电源输出存在较大的电流波动及较高瞬间脉冲电流。为了再次验证其失效机理，进行优化验证，取良品LED，贴老化板做常温25℃和高温105℃老化4h测试，LED老化4h无死灯，外观无异常。由此推测，LED失效是由于散热设计和电源输出上存在不足，因此优化散热性能和电源的稳定性，来提高LED的可靠性。
结语
综合上述，利用X－Ｒay探测仪，SEM电镜，EDS能谱仪，温升测试仪，热阻分析仪等设备对一款失效的LED产品分析，其失效原因是散热设计和驱动电源恒流输出存在不足，最终导致LED失效死灯。因此过高的结温会引起LED封装材料的物理性能变化，严重时导致LED失效。所以降低PN结温和选择抗干扰能力强，输出稳定，散热性能好的驱动电源，是LED照明应用的关键所在。
参考文献
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论文作者:黄捷铭
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
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