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LED光衰失效分析

2014-10-20  浏览量:494

摘要:

本文通过X射线透视检查、LED内部结构分析、SEM/EDS检查及LED发光温度分析,认为造成LED光衰的原因为:封装材料热膨胀系数不一样,LED所使用荧光粉散热性能不好,产生大量热量聚集于LED内部,导致内部温度过高,使LED内部不同层间出现断裂或裂纹,与此同时工作电压的存在使电迁移的发生产生了可能,导致K离子迁移,荧光层发光效率随着K离子的不断迁移而降低,黄光强度不断降低,因此失效样品首先出现光衰现象,然后出现蓝光现象。

 

1. 案例背景

该产品使用领域为医疗方面,牙医使用此LED作为光源,白光LED在使用一段时间后,出现光衰及蓝光现象,委托方要求分析LED光衰的失效机理,并给出改进建议。

 

2. 分析方法简述

外观检查中可以比较明显看出OK样比NG样荧光层颜色鲜艳。

 

LED失效分析

LED失效分析

OK样品 

NG样品

 

通过X射线透视检查,OK样和NG样内部线路均未发现开路问题。

 

LED光衰失效分析

LED光衰失效分析

NGX射线透视  

OKX射线透视

    将OKNG切片,然后在金相显微镜下放大观察荧光层与芯片层发现NG样有断层产生,而OK样没有。

 

       失效分析

通过SEM/EDS分析,OK样荧光粉层中未检测到镓(Ga)元素,检测到有钾(K)元素,而NG样荧光粉层检测到Ga元素,未检测到K元素。

 

/2014/1020/www.mttlab.com

失效分析

荧光层形貌图

EDS能谱图

荧光粉层形貌图和EDS能谱图

 

3. 分析与讨论

外观检查中可以比较明显看出OK样比NG样荧光层颜色鲜艳;LED光谱图14可以看出OK样和NG样在蓝光区发光强度基本一致,表明芯片基本没有受损,而荧光粉发光区域出现明显差异,NG样蓝光相对强度为32%,明显低于OK70%

失效分析

OK样和NG样光谱图

 

OK样和NG样荧光粉层成分差异,基本可以判定失效现象是由于荧光粉在工作过程发生变性而产生;其失效机理如下:

元素分析中我们可以看到有Lu元素和K元素的存在,荧光粉效率随着加入钾离子浓度的提高而增加,其发光强度逐渐增强,当钾离子增加到一定值后,其发光强度逐渐降低,Lu离子起到将蓝光转换为黄光作用,然后蓝光和所激发黄光混合发出白光。

由温度测试我们发现发白光的光衰NG样品所能达到的温度高于发蓝光NG样,表明荧光粉情况良好反而导致散热性能相对不好,内部温度短时间内能达到较高温度。该产品使用领域为医疗方面,牙医使用此LED作为光源,诊断完一位病人需要一定时间,诊断完后会将关掉,待下一位病人过来有需要打开,诊断一定时间后又关掉,如此循环往复,造成LED灯每回工作达到一个较高温度后又降至常温,然后又升到较高温后降温,循环往复造成封装材料热胀冷缩,而由于不同封装材料热膨胀系数不一样,从而导致材料之间在高温与低温不断变化过程中产生断层或裂纹。正常样和失效样均发现有断层现象,可能是由于正常样已经处于失效萌生状态。

 

发生断层后荧光粉层与发光极接触产生电迁移,NG样电极上Ga离子被迁移进荧光粉层,而荧光粉层中本应有的K离子被迁移到别处。随着K离子被迁移出荧光层,导致荧光粉发光效率不断降低,最终导致芯片所发蓝光和荧光粉层所激发黄光不匹配,从而导致正常LED灯首先经历光衰,随着黄光强度不断降低,最终发出蓝光。

 

4. 结论

失效LED产生光衰及蓝光现象的可能原因:封装材料热膨胀系数不一样,LED所使用荧光粉散热性能不好,产生大量热量聚集于LED内部,导致内部温度过高,使LED内部不同层间出现断裂或裂纹,与此同时工作电压的存在使电迁移的发生产生了可能,导致K离子迁移,荧光层发光效率随着K离子的不断迁移而降低,黄光强度不断降低,因此失效样品首先出现光衰现象,然后出现蓝光现象。

建议:1)优化系统的散热性能参数。

      2改善目前LED材料之间的热膨胀系数匹配性较差的问题。

 

5. 参考标准

GJB 548B-2005 微电子器件失效分析程序-方法5003

IPC-TM-650 2.1.1-2004手动微切片法

GB/T 17359-2012 电子探针和扫描电镜X射线能谱定量分析通则

 

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