LED失效分析手段研究

胡春田，張 華

（深圳市計量質量檢測研究院，深圳 518055）

LED失效分析手段研究

胡春田，張 華

（深圳市計量質量檢測研究院，深圳 518055）

介紹LED產品常見的失效分析手段，主要包含外觀檢查、電性能測試、X-Ray透視檢查、開封檢查、金相切片分析、掃描電鏡和能譜分析等手段，并結合實際案例對幾種方法進行描述。

LED；失效分析；X-Ray；開封；金相切片；掃描電鏡；能譜儀

引言

與傳統照明燈具，即白熾燈、熒光燈和高強度氣體放電燈相比，LED作為第四代光源，其具有綠色環保、電光轉化效率高、壽命長、工作電壓低、響應快、體積小等一系列優點，被廣泛應用于顯示、照明、背光燈諸多領域，其巨大的經濟效益和廣泛的應用前景，使得LED越來越受人們的關注，但目前市場上的LED產品質量參差不齊，可靠性問題接踵而至，如何提高LED的可靠性成為了LED研究的重中之重，而對LED的可靠性研究著重點落在LED的失效分析上，這可從根源上解決其可靠性問題，為LED的早期失效篩選及產品的質量管理提供依據。

1 LED結構簡介

LED即為發光二級管，是一種將電能轉化為光能的半導體固體發光器件，圖1為某公司生產的白光LED典型外觀圖，其結構主要包含以下幾部分：引線、支架、封裝膠、鍵合絲、LED芯片、固晶膠及熒光粉。LED的可靠性和其各結構的材料來源、生產工藝以及裝配過程密切相關，而通過失效分析的不同手段，可分別獲得各結構的具體失效情況，從而對產品的可靠性提出中肯的建議和改進。

2 LED失效分析手段

根據失效分析的常規原則：先無損再有損，先外觀檢查，電性能測試再破壞性分析如開封（Decap），金相切片等，Decap后也需先無損（不引入新破壞）后破壞。LED的失效分析手段根據這原則可分為外觀檢查、電性能檢測、X-Ray透視檢查、Decap、金相切片分析、掃描電鏡和能譜分析及其它分析手段。以下通過相應的LED案例進行一一介紹。

圖1 LED典型外觀圖

2.1 外觀檢查

外觀檢查可通過目測和顯微鏡檢的方式進行拍照取證，其目的意在清楚直觀的體現樣品外觀的真實情況以及一些難以描述的異常現象，還可排除后續分析過程中引起的其它特征變化。

某公司戶外使用的LED視頻燈出現了死燈，針對死燈燈珠進行外觀檢查發現，支架出現嚴重發黑，且封裝膠體中有明顯的灰塵滲入，外部膠體邊界有明顯氣泡，如圖2所示。從外觀檢查我們可以得出分析思路，后續可用能譜分析發黑物質主要是什么，從何處引入即可。

2.2 電性能檢測

LED的主要電性參數包括正向電流、正向電壓、反向電壓、反向漏電流等。通過對電參數的測試可發現工作過程中LED是否出現參數異常，然后再根據異常的參數反推導致LED失效的可能原因。

某公司生產的LED燈板（8串16并）在出廠測試中，能正常工作，但斷電時，其中一組8串燈珠中有一顆燈珠先熄滅，同組其它7顆燈珠隨后緩慢熄滅，當把先熄滅的燈珠換成OK的燈珠時，則無此現象出現。針對這組的8顆燈珠分別進行電性參數檢測，發現先熄滅的燈珠其漏電流超過廠家規定值（10μ A），表現出明顯的異常，如圖3和圖4所示。

根據電性能測試結果，知道失效的原因是漏電流過大引起，從而我們后續的分析步驟就是從引起LED漏電的原因處著手，對可能原因進行逐一排除再確認，最終定位根本原因。

圖2 失效燈珠的典型外觀圖

2.3 X-Ray透視檢查

X-Ray透視的原理是根據樣品不同部位的材料對X射線的吸收率和透射率不同，利用X射線通過樣品各部位材料衰減后的射線強度檢測樣品內部缺陷?？梢詸z查LED內部的引線鍵合情況和外部的焊接情況。能看到引線的不連續性和損壞以及位置未對準的線路或者焊盤等。

圖3 失效燈珠和正常燈珠的I-V曲線圖

圖4 失效燈珠的反向漏電流監測圖

某公司生產的LED燈管，其中有個別燈珠出現死燈現象，經X-Ray透視檢查，能明顯看到燈珠內部金線在第二焊點處完全斷開，如圖5所示。為進一步確認金線斷裂的原因，首先需要開封確認金線斷裂面的形狀，初步判定是機械原因還是鍵合不良造成，從而進行更深層次的分析。

2.4 開封檢查

開封檢查是一種破壞性的分析方法，是用特殊的溶液（業界常用藍藥水）將LED的塑封膠去除，但能同時保持內部結構和功能的完整性。

開封只是一種用來去除塑封膠部分的單純手段，如需檢查內部結構則需要配合光學顯微鏡、電子顯微鏡或能譜儀作進一步分析。

某公司生產的LED燈珠出現死燈現象，但用外力通過封裝膠體對芯片進行按壓則能正常發光，撤去外力則不亮，用X-Ray透視發現金線在第二焊點處有明顯斷裂，對其進行開封并用掃描電鏡觀察，可以明顯看到第二焊點處的金線完全斷裂，且斷口有頸縮及金屬材料的機械拉尖特征，如圖6所示，故可判定金線的斷裂屬于機械應力造成。

某公司生產的三芯片白光LED模塊中，其中有少數幾個顆燈珠的藍光芯片不亮，通過外觀檢查，X-Ray透視檢查均沒發現異常，將藍光芯片不亮的燈珠進行開封發現，藍光芯片的負極電極有明顯脫落，如圖7所示。用外力拉斷負極金線，發現電極連同金球從芯片表面完全剝離，通過能譜分析電極所在位置的芯片表面，無異常元素發現，說明電極脫落和芯片表面的污染無關，可能和電極的制作工藝有關，需和電極制作廠商取得進一步聯系確認。

圖5 失效燈珠的X-Ray透視圖

2.5 金相切片觀察

金相切片是一種觀察樣品截面組織結構情況的最常用的的制樣手段，屬于破壞性分析方法，切片后的樣品同樣也需要用立體顯微鏡、金相顯微鏡或者掃描電鏡來進行觀察拍照，也可用能譜儀進行成分分析。

針對LED的失效分析，金相切片的位置常選擇金線的第一焊點和第二焊點處，在金線的第一焊點處可對芯片的垂直結構有一個全部而且直觀的體現，既能看到各層自身的缺陷，包括：支架、固晶膠、襯底、外延層、電極、金球、熒光粉以及封裝樹脂，還能看到層與層之間的粘接及焊接情況。在第二焊點處則主要是觀察第二焊點的焊接情況等。

圖6 失效燈珠開封后的SEM圖

圖7 失效燈珠開封后的藍光芯片SEM圖

某公司生產的白光LED燈管，在出廠前的老化過程中發現部分燈珠點亮后間隔半小時到兩小時就自動變暗熄滅了，但室溫恢復至少2h后仍可以重新點亮，需分析原因。通過外觀檢查，X-Ray透視檢查未發現明顯的問題，對失效燈珠進行開封發現，在正極金線的第二焊點處金線有斷裂，于是對其它的失效燈珠的第二焊點進行切片分析并用掃描電鏡觀察，發現金線的第二焊點有的有縮頸（見圖8），有的有明顯的裂紋（見圖9），因為是在出廠前的老化實驗過程中發現問題，故一開始可以點亮，時間一長，這些金線都會形成開路造成燈珠死燈。

圖8 失效燈珠1第二焊點切片后的SEM圖

圖9 失效燈珠2第二焊點切片后的SEM圖

圖10 失效燈珠開封后的SEM圖

2.6 掃描電鏡和能譜分析

掃描電子顯微鏡簡稱掃描電鏡，是用來觀察樣品表面形貌的設備，和能譜儀的搭配使用，可以對所觀察區域進行點、線和面的成分分析。

在LED的失效分析應用中，掃描電鏡和能譜儀的數據常作為結論的一種判據，起到畫龍點睛的作用。

某公司生產的LED在存放過程中檢查發現有死燈現象，通過外觀檢查和X-Ray透視都未發現異常，電性能檢測發現LED漏電非常明顯，懷疑是倉庫的存儲不當所產生的靜電放電引起的，于是對失效的LED燈珠進行開封，并用掃描電鏡觀察，在芯片正極周圍的確觀察到了典型的靜電擊穿特征，如圖10所示，因此問題得以迎刃而解。

2.7 其它分析

除了以上幾種常見的分析手段之外，在分析過程中，我們還可能會涉及到封裝樹脂的熱學性能分析，如熱膨脹系數等。尋找靜電擊穿特征所需用的微光顯微鏡（EMMI）等。失效分析是綜合性的分析，涉及到電學、材料學、熱學等多學科領域，因此只要能通過一定的手段找到失效原因的，都可以拿來應用到這上面進行更詳盡的分析。

3 結束語

本文結合具體的LED失效分析案例對常用的LED失效分析手段進行了介紹，旨在引出LED失效分析的思路，明確每一種手段的目的和意圖，使分析過程更加有目的性。

[1] 蘇永道,吉愛華,趙超 . LED封裝技術[M].上海:上海交通大學出版社, 2010.

[2] 姚立真.可靠性物理[M].北京:電子工業出版社,2004.

The Failure Analysis Means of LED

HU Chun-tian, ZHANG Hua
（Shenzhen Academy of Metrology & Quality Inspection, Shenzhen 518055）

This paper introduces the common means of LED failure analysis, mainly including visual inspection, electrical performance test, X-Ray inspection, decapsulation inspection, microsection inspection, SEM & EDS analysis, etc., and it describes these methods combined with actual cases.

LED; failure analysis; X-Ray; decap; microsection; SEM (scanning electron microscope); EDS (energy disperse spectroscopy)

TN383

A

1004-7204(2014)05-0052-04

胡春田（1984-），女，湖南婁底人，工學碩士，環境與可靠性試驗室工程師。

張 華（1979-），男，江西萍鄉人，工學碩士，環境與可靠性試驗室工程師。