照明LED失效分析方法
http://www.cnjnsb.com 2017-06-01 15:59:04
大家还记得欧普在双十一的佳绩吗?2亿元,我们看到LED已经慢慢在普及了。但虽然普及了,我们在生产使用过程中仍然会出现了很多LED失效,这里我们浅谈一下LED失效模式。   作为通用照明的LED,目前主要由两种:一种可以进行SMT作业的SMD LED;另外一种是集成和阵列式的COB和铜基板模块。当然也还有DOB,不过今天我们暂时不讨论。   一、SMD LED的失效模式   首先我们来看看SMD LED的失效模式。SMD LED种类太多了, 2835、3528、5050、5630、3014、4014等等。支架的塑封从PPA,PCT,一直到现在的EMC等等。不管封装尺寸如何,失效模式都差异不大,我总结了几点。   1.1 失效最严重的就是死灯   死灯的话应该就分为真死或者假死。   假死情况较常见的就是LED过回流的时候,LED与PCB之间的虚接。这个虚焊比较好发现和解决。通过点测和老化即可发现虚焊的位置,并能通过加热台或者热风枪进行LED修正和替换即可。另外一种假死,是LED内部出现虚接或者金线断裂但是还挨着一起。如下图一所示,就是典型的LED 金线内部的虚接(已经断开,但是还是挨着一起,LED还是可以点亮,但是过一会就因为胶体的应力导致断线头分开死灯)。   \   ▲图一 金线断开失效模式   真死的话,情况就比较多了,但是常见的是金线断裂(就是图一中如断线头不挨着就是真死的一种)。还有一种就是过流导致芯片和金线烧毁,这个目视就非常明显了,如下图二所示。总结起来就真死的几种状况:一种是线路故障问题,可能是邦定不良导致线路失效,也可能内应力(热胀冷缩的力)导致线路失效;一种是超过必要的电流电压问题;还有一种就是静电击穿LED问题(这个失效模式目视效果不明显,芯片PN结被击穿,需要老化一段时间才逐步死亡)。   \   ▲图二 过流导致芯片烧毁的失效模式   那么问题来了,如何规避或减少死灯这么严重的失效呢。   最要紧的是保证线路焊接时的可靠性,这些可靠性导致的不良后果是致命的。首先,得保证机台稳定性,还有焊线模式,有的需要进行尾线压合,或者尾线重新加个尾巴。其次,是保证线材与芯片键和的兼容性。以前我们都是用9999的纯金,现在用的是K金(60%以上的黄金),或者合金(8%以上的黄金)与CHIP PAD的键和的兼容性和焊接强度需要考虑到。   另外,与胶水的硬度有关系,如果胶水太硬,那么应力(热胀冷缩的力)就会拉断芯片。这种失效模式也是比较常见。为啥?因为硅胶太贵,密封性也不好,更多人倾向使用硬硅胶和环氧树脂类作为灌封胶。所以我们选择封装材料时,一定要考虑到应力与封装的匹配性,不能太硬,适合使用的环境。   比如现在的9V1W的2835作为球泡灯的光源,管脚温度TS很多经常在105-110℃之间。那么对于这么高的温度,我们的封装胶水硬度就必须要小,否则过一段时间会因应力过大拉断金线而死灯。当然,如果是0.06W的LED,环氧树脂应该是又便宜又实用的封装胶水,应力对其影响不是太大。至于静电防护,电子行业几乎所有的电子器件都需要进行经静电防护,比如建立风淋室、导走人体带电荷、空气加湿、设备接地、增加等离子风扇等等。静电防护通用性的措施,我这里就进行赘述了。   1.2 另外一种LED失效模式就是:寿命短,色漂移等主要指标参数出现异常   我们定义70%的初始光通量为LED寿命终点(这个和死灯定义不一样)。寿命亦可理解为流明的维持率。现在几乎所有的大公司的SMD LED都有LM-80的测试,测试6000H,或者9000H,模拟出寿命在36000H或者54000H。当然,设计是美好的,现实是残酷的。LED在其应用条件与我们做LM-80测试条件有着天壤之别,所以寿命不如预期。   举例:送给客样品100Ma@9V 2835LED。客户装成灯泡老化100H,发现流明的维持率只有90%,与LM-80曲线差异太大(至少98.8%以上的维持率),这就是典型寿命不如预期的失效模式。当然,也有经常伴随着LED内部颜色发黑,CCT蓝移啊(目视LED白光变蓝)。这里我只分析一下这种常见的失效模式。   如果仅仅是LED光通量衰减太厉害,没有其他稍微严重并发症,那么我们推测出LED本身材质劣化。宏观的来看LED出光效率低了,微观的话要么是LED内部光子出不来,要么LED光子少了。光出不来,可能是反射器(支架)效率低了,比如PPA或者PCT黄化,胶水折射率发生变化,金属反射层反射率降低等等。   如此LED光子就会反射不出来,转化为热量,可能会有并发症(其它核心参数CCT等出现变化)。如果是光子少了,应该就是特指LED CHIP光子少了,应该就是芯片劣化了。CHIP自由移动的电子和空穴数量减少了。材质劣化是一个正常现象。但是如果电流过大、LED过热的话会导致封装材质劣化,速度远超过正常劣化的速度,就是我们所说的光通量维持率异常。(寿命异常)   另外一种常见失效色温,显色指数,VF等异常。CCT蓝移,R9变化,VF变化等。这些一般都是LED异常的并发症,当然也有例外。首先说下例外的情况,也就是大家口中所说的温升(冷热态数据对比),这个是一个正常的现象,冷态和热态在参数上面会因为热的影响会出现允许范围内的变化。   要说常见异常的话,就是热稳态以后数据差距太大,比如CCT 、R9或者LM等值出现大波动等。原因就比较简单了,除了过流过热的影响以外,还有材料本身的热稳态不太好。比如红色荧光粉氮化物,本身热稳态就不会太好,会影响CCT、R9等因素。还有一种常见的异常就是化学物质对LED的影响,比如说S(挥发性硫化物)、Br(挥发性卤化物)、o(氧气)与镀银层的化学反应,或者挥发性有机物的影响。   下面我们列举一个典型案例,看看这种卤化(硫化失效模式一样)常见污染失效模式。通过频谱对发黑部位的元素成分进行分析。案例如下图所示:   \   二、COB的失效模式   上面我们说了SMD LED常见的失效模式。现在我们再来聊一下COB的失效模式。就一般失效模式而言,不管是SMD LED还是COB LED,都大同小异。但是COB的失效模式可能因为其封装形式不一样,失效的花样会更多一点。   2.1 就死灯来说,根本的失效模式和SMD LED中的失效模式一样。但是,因为COB串并数比较多,所以死灯定义不是全部死灯,而是其中一串或者几串死灯,其他几串还是正常亮着,如图三所示。COB死灯也不外乎如下几种情况:一种是线路故障问题,可能是邦定不良导致线路失效;也可能内应力(热胀冷缩的力),COB中更为明显,所以COB都严格控制管脚温度不超过85℃(SMD LED 1W的2835 105℃都可以正常使用)导致线路失效;一种是超过允许的电流电压问题,如下图四所示;另外一种就是静电击穿问题。   \   ▲图三 COB断线死灯模式。只有一串亮着,其他几串死灯   \   ▲图四 COB烧毁死灯模式。芯片表面发黑,胶水碳化。   所以我们如何减少这些失效的可能呢?COB LENS(黄色发光区域)比较脆弱,我们要保护好LENS区域(含白色围坝区域),吸塑盒包装的时候需要加防护层等等。另外,LED的驱动电流非常大,所以对线路需要一个过流保护设计。使用的时候,严格控制一个合理温度也是非常重要的保护措施。具体说温度几何呢?   其实,最主要的还是COB胶体玻璃化的温度(有的是180℃,有的是200℃或者其他温度)会改变胶水硬度,造成内应力(热胀冷缩的力)增大,拉断金线。可能有人会要问,chip的最高结点温度都是125℃,你这180、200的高温从哪里来的?我们要说的是,LED最高的温度点其实是胶体表面的温度,为啥呢?因为光子会在胶体表面泯灭转化为热量。   2.2另外一种LED失效模式就是:寿命短,色漂移等主要指标参数出现异常。芯片、胶水、荧光粉,镀银层都和SMD LED接近,所以这个失效模和SMD LED失效模式类同。我就不浪费大家时间再读一次了。   2.3 这里特别例举出COB其它几种常见的失效模式。   a、胶裂:胶体硬度发生变化产生胶裂,严重的导致金线断裂(死灯)。如下图五所示。   b、助焊剂污染。助焊剂污染区域老化以后发黑,并伴随局部胶裂,严重会导致死灯。如下图六所示。   C、高温导致芯片劣化、胶水碳化以及COB基板阻焊层色变。如下图七所示。   \   ▲图五 COB胶裂   \   ▲图六 COB胶体表面发黑   \   ▲图七 COB高温失效图片   从上面SMD和COB的失效模式来看,都大同小异。可能因为封装形式或者应用领域不同,略有差异。所以我们可以总结如下几条:合理的温度条件能让LED良好运行;稳定的电流能让LED灯具的品质上升一个高度;远离含挥发性S、卤素和挥发性有机物;适当的操作流程和良好操作的习惯(比如COB加个蓝膜,焊接完成以后再撕掉),能减少因操作带来的损失;做好静电防护,防止潜在失效风险。
文章关键字: 绿色照明
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