COB封裝中LED失效的原因分析

雖然從技術(shù)角度LED芯片理論壽命可達(dá)100000H，但由于封裝、驅(qū)動(dòng)、散熱等技術(shù)的影響，應(yīng)用到普通照明類(lèi)的光源或燈具壽命也只能達(dá)到30000H，甚至市場(chǎng)上也存在很多用不到半年就會(huì)出問(wèn)題的產(chǎn)品。如何提高LED照明產(chǎn)品可靠性問(wèn)題也一直是企業(yè)需要解決的問(wèn)題。 　　LED照明產(chǎn)品失效模式一般可分為：芯片失效、封裝失效、電應(yīng)力失效、熱應(yīng)力失效、裝配失效。通過(guò)對(duì)這些失效現(xiàn)象的分析和改進(jìn)，可對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)和生產(chǎn)高可靠性的LED照明產(chǎn)品提供幫助。 　　本文介紹了基于COB封裝技術(shù)的LED照明產(chǎn)品失效模式及幾種常見(jiàn)原因分析。并闡述了在COB封裝、整燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等應(yīng)用過(guò)程中預(yù)防和改善對(duì)策。 　　1、基于COB的LED產(chǎn)品特點(diǎn) 　　LED照明產(chǎn)品由三個(gè)主要部件組成，即散熱結(jié)構(gòu)件、驅(qū)動(dòng)電源和照明部分。照明部分由光源和二次光學(xué)配光組件（如透鏡、反射鏡和擴(kuò)散板）組成，典型應(yīng)用模型見(jiàn)圖一。做為L(zhǎng)ED照明產(chǎn)品中的光源部分是核心部件，是實(shí)現(xiàn)光電性能的基礎(chǔ)器件。而基于COB技術(shù)是光源的一種封裝形式，其本身不再需要任何自動(dòng)表面貼裝過(guò)程，只需要將正負(fù)極簡(jiǎn)單引出焊接即可組裝到基體或照明燈具。如圖1顯示了其在LED照明產(chǎn)品中重要的關(guān)鍵組件。這些組件是，尤其是COB在大多數(shù)情況下，均是采用手工組裝。這就造成在生產(chǎn)過(guò)程中很可能要比在一個(gè)自動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生更多潛在故障。 　　2、COB失效的原因分析 　　如圖2所示，基于COB的LED封裝技術(shù)是將多顆 芯片采用不同的串并結(jié)構(gòu)再用絲焊的方法在芯片和基底 之間建立電氣連接，最后使用灌封膠封裝而成。此種結(jié) 構(gòu)決定了 COB內(nèi)部任何單顆芯片的不良，將會(huì)導(dǎo)致剩余 　　芯片電流負(fù)載增加，繼而單顆vf值上升，使驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)入輸出過(guò)壓保護(hù)狀態(tài)，輸出異常導(dǎo)致剩余支路閃爍直至死燈。排除芯片本身不良的原因，大部分情況下表現(xiàn)為 芯片間鍵和不良，常規(guī)下我們把鍵和中單個(gè)焊線分為A、B、C、D、E五個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，如圖3所示。而鍵和不良本人在實(shí)踐中遇到了以下幾種常見(jiàn)原因。 　　(1)機(jī)械應(yīng)力損傷，一般會(huì)出現(xiàn)在B、C、D點(diǎn)不良，且C點(diǎn)居多。 　　常見(jiàn)根本原因有：①如出現(xiàn)為B或D點(diǎn)不良，且居多出現(xiàn)在圍壩邊緣如圖2中中間圖片紅色圓圈部位。則很有可能是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)干涉導(dǎo)致。導(dǎo)致干涉的原因需要從鏡面鋁中心與芯片布局中心是否偏離和整燈結(jié)構(gòu)是否預(yù)留足夠的間隙等方面進(jìn)行進(jìn)一步探討和確認(rèn)。②如出現(xiàn)在C點(diǎn)不良，且居多出現(xiàn)在中間部位，貝帳本原因會(huì)是因?yàn)榉庋b或組裝制造過(guò)程防護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致。 　　(2)焊接不良，一般會(huì)出現(xiàn)在A、B、D、E點(diǎn)不良且拉力測(cè)試時(shí)力值合格但斷裂點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在A、B、D、E點(diǎn)處， 例如圖4為D點(diǎn)斷開(kāi)狀態(tài)。 　　這種情況下可以確定為焊接工藝不當(dāng)或焊接設(shè)備不穩(wěn)定導(dǎo)致，可根據(jù)具體的失效項(xiàng)目 如塌線、斷線、金球過(guò)大、過(guò)小等情況調(diào)整焊線溫度、功率、壓力、時(shí)間等工藝參數(shù)予以解決。 　　(3)封裝膠應(yīng)力損傷，一般會(huì)出現(xiàn)在A、B、D、E點(diǎn)不良且不良只會(huì)發(fā)生在圍壩膠和封裝膠結(jié)合處的周?chē)?，?高倍顯微鏡下觀察膠體結(jié)合面處存在間隙的可能。 　　這種不良的根本原因往往是因?yàn)閮煞N膠體熱膨脹系數(shù)的差異，導(dǎo)致應(yīng)力集中，將焊點(diǎn)拉斷導(dǎo)致。 　　3、改善措施 　　通過(guò)對(duì)以上所介紹的COB主要失效模式的分析，可以從中獲悉改善實(shí)際使用壽命的技術(shù)方法。 　　(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 　　好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要保證功能的實(shí)現(xiàn)，也要做到防錯(cuò)處理?；贑OB封裝技術(shù)的LED本身就是一個(gè)易損傷器件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中處理二次光學(xué)配光組件安裝及固定時(shí)，需要考慮預(yù)留足夠的間隙，保證在極限公差情況下和組裝過(guò)程中誤操作也不能夠或盡可能減少損傷COB的風(fēng)險(xiǎn)。 　　(2)封裝技術(shù) 　　封裝制程中，我們把焊線拉力測(cè)試作為衡量鍵和合格判定的一個(gè)重要的指標(biāo)。而且在質(zhì)量控制過(guò)程中，往往認(rèn)為拉力越大產(chǎn)品可靠性越好。實(shí)踐證明這是一個(gè)錯(cuò)誤的做法，尤其在COB的焊線工藝中對(duì)邊緣鍵和質(zhì)量的衡量上，太大或過(guò)小均會(huì)導(dǎo)致不良的產(chǎn)生。具體拉力規(guī)范限值需要根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)進(jìn)行研究和探討。 　　另一方面，選擇合適的封裝膠及封膠工藝。盡可能采用熱膨脹系數(shù)相近的膠，而且需要確定合適的烘干溫度和時(shí)間以確保凝固速度的一致，防止內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生。 　　(3)制程防護(hù) 　　COB器件由于芯片為陣列排布，發(fā)光裸露面大，焊線、芯片耐外力能力差，且封裝膠體本身不能起到很好的防護(hù)作用。故在制程過(guò)程中采用合適的包裝、流轉(zhuǎn)載具、取拿工具、固定取拿方式可以杜絕或降低機(jī)械損傷。 　　(4)合理篩選 　　雖然篩選不能最終提升產(chǎn)品品質(zhì)，但可以防止不合格品的流出。為了篩選出COB不良器件，可以采取在一定溫度下的老化、測(cè)試工作。COB器件可在高溫下進(jìn)行點(diǎn)亮測(cè)試，溫度不宜高于PN節(jié)結(jié)溫溫度。如果采取整燈老化，溫度推薦不宜超過(guò)宣稱(chēng)最高環(huán)境溫度，時(shí)間可隨溫度的提高而減少。具體參數(shù)需要根據(jù)產(chǎn)品特性進(jìn)行研究和確定。 　　(5)優(yōu)化可靠性驗(yàn)證方案 　　產(chǎn)品是否能夠滿足使用要求，需要對(duì)其進(jìn)行充分的驗(yàn)證。考慮到LED產(chǎn)品不管是國(guó)際還是國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有針對(duì)LED產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)規(guī)范，目前常規(guī)做法是參照GB/T 2423、GB/T24825等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行高溫、低溫、濕熱交變、開(kāi)關(guān)沖擊等可靠性試驗(yàn)。但在實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)這樣的方法不足以發(fā)現(xiàn)失效，即已經(jīng)確定存在可靠性失效的產(chǎn)品也能通過(guò)此類(lèi)試驗(yàn)驗(yàn)證。故我們需要針對(duì)產(chǎn)品工作環(huán)境及特殊的用途論證制定符合基于COB封裝技術(shù)LED特性的可靠性試驗(yàn)方案。結(jié)合快速變化的市場(chǎng)，調(diào)整可靠性試驗(yàn)條件如溫度、濕度、安裝方式、客戶的使用習(xí)慣等多種要素來(lái)創(chuàng)新選擇可靠性驗(yàn)證的方案。實(shí)現(xiàn)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)推出質(zhì)量可靠的產(chǎn)品。 　　4、結(jié)束語(yǔ) 　　綜上所述，盡管成本低、散熱性好的基于COB封裝技術(shù)的LED產(chǎn)品具有很高的理論壽命，但是在實(shí)際應(yīng)用 過(guò)程中目前還不能達(dá)到所預(yù)期的理論值。但是只要能夠追查到失效的根本原因，采取措施進(jìn)行改善并得到有效驗(yàn)證，LED產(chǎn)品的可靠性將會(huì)得到不斷的提高。