貼片硅膠封裝發(fā)光二極管光強可靠性研究及應用

0   引言

發(fā)光二極管作為電子產(chǎn)品中不可缺少的一個器件，光強的一致性與亮度是重要指標。因此，隨著貼片器件的常規(guī)化使用，除了要求在小型化、多元化方面優(yōu)化之外，對于光強可靠性研究也存在重大的意義。

1   貼片發(fā)光二極管光強衰弱原因分析

在空調(diào)生產(chǎn)過程中，對于物料的使用壽命以及持久度是考評整個產(chǎn)品的一個維度。而對于發(fā)光二極管，在性能參數(shù)方面存在1個重要的研究——光衰。光衰是對發(fā)光器件評定的1項重要指標，在常規(guī)器件性能VF與IR合格的情況下，光衰大小成為了區(qū)分產(chǎn)品差異化的1個閃光點。

造成光衰過大的原因通常除了生產(chǎn)工藝和發(fā)光芯片本身的發(fā)光強度之外，在通電條件合格的情況下，更多的是器件發(fā)光的外部環(huán)境以及內(nèi)部環(huán)境的影響。

外部環(huán)境因素：高溫、低溫、外部光強等。

內(nèi)部環(huán)境因素：晶圓發(fā)光強度極限，晶圓表面污染物，晶圓內(nèi)部聚光結(jié)構，熒光粉的添加，發(fā)光角度等。

2   貼片發(fā)光二極管光衰驗證

在對A廠家某貼片發(fā)光二極管物料進行高溫老化試驗時，實驗前光強符合技術圖紙要求（MIN:2.1 cd、MAX：3.0 cd），但是經(jīng)過300 h/125 ℃高溫試驗之后，光強大比例衰減，衰減百分比（衰減百分比公式：實驗前-實驗后/實驗前×100%）高達30%，通常為滿足售后客戶使用要求，光衰要求不超過15%，因此該異常的出現(xiàn)導致器件光強不符合企業(yè)相關標準要求（圖1）。

圖1 A廠家故障件（下排）和正常品（上排）對比

2.1 A廠家物料材質(zhì)和結(jié)構分析

A廠家該款物料為貼片結(jié)構，與常規(guī)貼片物料不同的是器件樹脂中部由透明膠狀物質(zhì)進行封裝，四周使用的是常規(guī)環(huán)氧樹脂封裝。經(jīng)對其中部成分測試，發(fā)現(xiàn)為硅膠制品。硅膠的使用通常是因為耐高溫性和可塑性較強，因此對于此款物料的高亮度要求比較適合。

通過在放大鏡下查看器件（如圖2），可以清楚看到器件內(nèi)部晶圓等內(nèi)部結(jié)構，器件底部焊盤為鍍銀結(jié)構，銀焊盤上有常規(guī)的晶圓與金線，同時封裝的硅膠中含有黃色熒光粉。銀焊盤的作用是為了更好地反射光，該款物料為白色光，但是常規(guī)晶圓化合物中沒有直接呈現(xiàn)白色光的元素，因此通過本體晶圓發(fā)出藍色光（晶圓化合物：InGaN），經(jīng)過底部銀焊盤反射藍光與分布的黃色熒光粉進行中和調(diào)色，使之最終呈現(xiàn)出白光。

圖2 A廠家正常品結(jié)構

2.1.1 A廠家物料實驗后樣品檢查

A廠家實驗后樣品進行外觀檢查，與正常未安排實驗物料對比，物理結(jié)構無差異，無開裂、破損、樹脂變形等異常現(xiàn)象。外觀對比情況上查看，器件內(nèi)部底部銀焊盤呈現(xiàn)發(fā)黑跡象，而非實驗前出現(xiàn)的銀色。且器件內(nèi)部封裝硅膠的熒光粉也全部消失，沉積在底部銀焊盤上(如圖3)。

2.1.2 A廠家物料實驗后光衰過大分析

A廠家物料光衰過大情況主要體現(xiàn)在以下2點。

1）器件底部起反射作用的銀焊盤表面被黑色異物覆蓋，導致其反射能力降低；

2）封裝硅膠內(nèi)部增強光強的黃色熒光粉出現(xiàn)沉積，導致熒光粉作用大大減弱。

2.2 A廠家與B廠家對比試驗

該款物料的B廠家（外部結(jié)構、類型完全相同）同樣抽取物料進行試驗驗證，同步將A、B兩個廠家物料放置在同一塊板上進行驗證，在溫度、環(huán)境、與試驗時間一致的情況之下進行試驗驗證，300 h后，測圖4 A廠家實驗后樣品底部銀焊盤異物EDX掃描試A、B廠家器件光強，同樣呈現(xiàn)出30%左右的光衰，驗證結(jié)果排除廠家生產(chǎn)制造問題。

圖3 A廠家實驗后樣品

實驗結(jié)束后對A、B廠家物料進行放大鏡下查看，2個廠家均出現(xiàn)光衰過大情況，因此排除廠家生產(chǎn)制造問題。

2.3 對A、B廠家失效器件分析

上訴對器件實驗后制品進行檢測時，發(fā)現(xiàn)器件內(nèi)部起反射作用的銀焊盤表面被黑色物質(zhì)覆蓋，導致器件光強偏弱。

圖4 A廠家實驗后樣品底部銀焊盤異物EDX掃描

問題一：器件底部起反射作用的銀焊盤表面被黑色異物覆蓋

取所有失效器件銀焊盤上的黑色物質(zhì)進行EDX成分檢測，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部元素含有硫元素，使得表面Ag被S元素給S化，形成黑色的Ag2S，導致表面反射率降低。

問題二：封裝硅膠內(nèi)部增強光強的黃色熒光粉出現(xiàn)沉積

未安排實驗的正常器件，內(nèi)部硅膠中的熒光粉存在，目的是為了增強光強，但是熒光粉出現(xiàn)沉積導致器件光衰過大，其主要問題點在于熒光粉為何出現(xiàn)的沉積。

硅膠是一種高活性吸附材料，其耐高溫、可塑性很強，因此用于高亮度的發(fā)光二極管中是一種首選材質(zhì)。

強的吸附能力也有屬于它的天敵，通過對實驗過程和實驗現(xiàn)象的核實排查，唯一造成硅膠的吸附能力失效的，就是S元素的存在。在高溫條件下，S元素的進入密封硅膠中更加的容易，導致硅膠出現(xiàn)中毒現(xiàn)象，使得其吸附活性大大減弱。

對于以上2個問題的確認，可以確定S元素的存在造成了硅膠封裝發(fā)光二極管光衰過大的結(jié)果，但是還需要進一步排查驗證。

2.3.1 S元素的排除整改

對于貼片發(fā)光二極管做高溫實驗，使用膠布將器件粘貼在相應基板上，放入高溫箱中進行300 h/125 ℃耐久試驗。在整個過程中，S元素的出現(xiàn)主要有以下3個方面的影響：

1）粘貼器件的膠帶中含有S元素，在高溫烘烤下?lián)]發(fā)出來進入；

2）裝發(fā)光二極管的平板材質(zhì)中含有S元素；

3）高溫實驗箱中的其它物品和環(huán)境中含有S元素。通過對膠帶、板進行EDX成分測試發(fā)現(xiàn)（如圖5），膠帶的測試成分中含有0.022%的S元素，由于膠帶與器件接觸，因此S元素順應著接觸面滲入器件內(nèi)部，導致器件硅膠中毒且底部銀焊盤被硫化。

圖5 底部粘貼雙面膠元素定性測試

分析總結(jié)：S元素的存在導致器件內(nèi)部相關物質(zhì)發(fā)生化學反應產(chǎn)生質(zhì)變和失效，促使硅膠類樹脂封裝貼片二極管在后續(xù)的驗證與實驗中，需要對S元素的存在進行相應防范，使得器件的耐久性、耐用性以及客戶舒適性得到相應提高。

3   改效果評估及應用效果驗證

對于硅膠貼片發(fā)光二極管的整改對器件異常點進行專項排除整改，①不使用膠帶對器件進行固定；②將器件放置于不銹鋼杯中，避免接觸一切S元素；③將加熱的高溫箱內(nèi)其它器件清空，并敞開放置一定的時間，讓空氣進行置換，再進行加熱（如圖6）。

圖6 改善后的實驗驗證方法

實驗結(jié)果：實驗結(jié)束后測試器件前后光強參數(shù)，其光衰率小于15%，符合相關技術圖紙要求，驗證有效。

總結(jié)：依據(jù)實驗結(jié)果表明，器件實驗前后光強變化不大，衰減度不足10%，小于標準值15%，符合相關技術管理規(guī)定，驗證有效。

4   貼片硅膠封裝發(fā)光二極管改善意義

本文結(jié)合失效現(xiàn)象，對硅膠封裝貼片發(fā)光二極管的使用過程中的失效原因及失效機理分析，分析結(jié)果表明該種類貼片發(fā)光二極管在追求了高亮度的同時，也存在著自身的不足之處，通過一系列的實驗對比驗證，此種情況僅僅出現(xiàn)在硅膠封裝器件上，對于其它非硅膠封裝廠家編碼實驗前光強數(shù)據(jù)試驗后光強數(shù)據(jù)光衰率的環(huán)氧樹脂上，不存在此種問題。同時，該項目的成立也變相的衍生到其它硅膠樹脂封裝同步需要做好對S元素的防范。

通過對該器件的分析，使得在后續(xù)貼片器件完全替代插件類發(fā)光二極管的時候起了不可缺少的作用，從器件的源頭、使用的環(huán)境對器件性能進行良好的保障。

參考文獻：

[1] 李明.高亮度LED照明的安全性評價[D].杭州:浙江大學,2007.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年8月期）