LED硫化失效分析與可靠性研究

　談到LED失效，人們首先會(huì)想到正常電流驅(qū)動(dòng)下出現(xiàn)的死燈不亮現(xiàn)象，或者僅僅發(fā)出微弱光線(xiàn)。事實(shí)上，這已是失效類(lèi)型達(dá)到最嚴(yán)重的程度，稱(chēng)為災(zāi)難失效。相反，如果LED產(chǎn)品在平時(shí)使用中，一些關(guān)鍵參數(shù)特性偏離出可接受限度，例如永久性光輸出衰減，色溫漂移，顯色指數(shù)下降等，我們稱(chēng)之為參數(shù)失效。

　　單獨(dú)從裸晶芯片(即磊晶晶粒)上考慮，出現(xiàn)LED產(chǎn)品參數(shù)失效機(jī)率很低，因?yàn)樗鼘儆谝环N性質(zhì)很穩(wěn)定的固態(tài)化合物，在規(guī)范的條件下使用,不易損壞，而處于一般應(yīng)用環(huán)境也不起化學(xué)反應(yīng)，因此擁有較長(zhǎng)的壽命。然而，為使該芯片發(fā)光，必須將它黏貼在特定的載臺(tái)(即支架或基板)上并以金屬線(xiàn)或焊錫等材料連接晶粒正負(fù)極，然后用高分子材料與發(fā)光材料混合包覆在整個(gè)載臺(tái)，這就是所謂封裝制程，經(jīng)過(guò)這段制程后的LED燈珠，包覆在芯片的封裝材料極容易遭受損傷，因此，各種LED參數(shù)失效歸因于封裝材料的破壞和劣化。

　　一、LED硫化現(xiàn)象

　　大部分參數(shù)失效過(guò)程是一個(gè)漸變的過(guò)程，并且在開(kāi)始時(shí)候不能立刻被察覺(jué)，它屬于一種存在的隱患，稱(chēng)之為隱性失效。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，重要材料遭到徹底破壞，最終演變成災(zāi)難失效。硫化現(xiàn)象就屬于這種隱性失效。

　　出現(xiàn)硫化反應(yīng)后，產(chǎn)品功能區(qū)會(huì)黑化(如圖1)，光通量會(huì)逐漸下降，色溫出現(xiàn)明顯漂移;硫化后的硫化銀隨溫度升高導(dǎo)電率增加，在使用過(guò)程中，極易出現(xiàn)漏電現(xiàn)象;更嚴(yán)重的狀況是銀層完全被腐蝕，銅層暴露。由于金線(xiàn)二焊點(diǎn)附著在銀層表面，當(dāng)支架功能區(qū)銀層被完全硫化腐蝕后，金球出現(xiàn)脫落，從而出現(xiàn)死燈。

　　二、LED硫化失效分析

　　查找硫化失效原因，需要一套科學(xué)完善的失效分析流程，首先必須保存好失效樣品,并對(duì)失效環(huán)境信息進(jìn)行收集。從以往數(shù)據(jù)來(lái)看，大部分封裝廠(chǎng)所獲得的硫化失效線(xiàn)索來(lái)源，基本為用戶(hù)端硫化異常發(fā)生之后得到的反饋。但由于出現(xiàn)失效環(huán)境并非最終的污染源發(fā)生地，這對(duì)確立源頭顯得比較復(fù)雜與棘手，因此需要借助更多高級(jí)儀器，例如掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜分析儀(EDS)，通過(guò)微觀(guān)結(jié)構(gòu)觀(guān)察與表面成分分析，進(jìn)行逐層的推斷與排除，最終確立硫元素源頭與硫化起因。

　　對(duì)出現(xiàn)硫化問(wèn)題的產(chǎn)品所存放的環(huán)境展開(kāi)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，硫化異常均出現(xiàn)在應(yīng)用端的通電老化與儲(chǔ)存過(guò)程。源頭主要來(lái)自于含硫橡膠的電源線(xiàn)以及橡膠類(lèi)的絕緣包裝塑料。但并非所有案例都能從存放環(huán)境中找到硫源頭。因此，在存放前或許已經(jīng)發(fā)生硫化現(xiàn)象。從應(yīng)用產(chǎn)品的生產(chǎn)流程分析(圖2)，初步推斷，硫化最可能出現(xiàn)在回流焊接環(huán)節(jié)，因?yàn)橛苫瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)得出，溫度升高，硫的化學(xué)反應(yīng)速率加快，硫化現(xiàn)象加劇。另外，濕度也是一個(gè)重要因素。有研究表明，只需50%的濕度，PCB表面就會(huì)形式一層水膜，隨著濕度從0～80%之間變化，干凈金屬表面可沉積2-10分子層水膜。因此，濕度增加，也會(huì)加速硫化腐蝕的發(fā)生。

　　為了進(jìn)一步驗(yàn)證此推論，鎖定硫化發(fā)生環(huán)節(jié)，我們通過(guò)能譜分析儀(EDS)對(duì)多個(gè)硫化問(wèn)題的產(chǎn)品連同PCB板進(jìn)行全面的硫含量鑒定。

　　表1 EDS元素掃描數(shù)據(jù)顯示，支架功能區(qū)，引腳處以及PCB板的焊盤(pán)區(qū)均含有一定的硫元素，且不同區(qū)域硫含量存在差異。另外由表1發(fā)現(xiàn)，支架外部引腳處硫含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于支架內(nèi)部功能區(qū)。初步判定，支架內(nèi)部功能區(qū)硫元素為外部入侵。究竟硫元素入侵路徑如何，仍需要進(jìn)一步分析。假設(shè)可能入侵的路徑為1.含硫氣體通過(guò)硅膠入侵。2.引腳處硫元素通過(guò)PPA支架滲入功能區(qū)內(nèi)部。我們分別把PPA支架與硅膠結(jié)合面以及連接引腳處PPA支架切開(kāi)面進(jìn)行EDS元素檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)都沒(méi)有硫的痕跡。相反，在硅膠與功能區(qū)鍍銀層界面含有硫元素，這說(shuō)明硫入侵到功能區(qū)不是從引腳處通過(guò)PPA支架滲入，而是含硫氣體通過(guò)硅膠界面入侵。