基于超聲波掃描技術(shù)的SMD LED失效研究

王素彬

摘 要：本文闡述了LED顯示屏中SMD LED的失效機(jī)理，利用超聲波掃描儀的掃描結(jié)果剖析SMD LED的失效模式、失效原因及試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了SMD LED的失效機(jī)理，最后基于超聲波掃描技術(shù)提出SMD LED的使用注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：超聲波掃描 SMD LED 失效 受潮 分層 瞎點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TN27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）09（b）-0078-03

近幾年來隨著LED晶片亮度的提升和封裝技術(shù)的成熟、SMD LED在LED顯示屏領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，LED全彩顯示屏表貼技術(shù)開始風(fēng)行業(yè)界，將LED全彩顯示屏的應(yīng)用推到了一個(gè)新的高度。對(duì)比傳統(tǒng)的直插式LED全彩顯示屏，戶外表貼顯示屏的畫面更絢麗、更節(jié)能、箱體更輕薄、視角也更廣闊，無論是應(yīng)用于戶內(nèi)還是戶外，取代傳統(tǒng)直插式LED全彩顯示屏已經(jīng)成為大勢(shì)所趨。本文就LED顯示屏中SMD LED的失效機(jī)理進(jìn)行闡述，并利用超聲波掃描儀的掃描結(jié)果剖析SMD LED的失效模式、失效原因及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，最后得出失效的原因及使用注意事項(xiàng)，以提升目前SMD LED顯示屏的可靠性水平。

1 SMD LED失效機(jī)理

SMD LED失效方式如圖1所示。

1.1 熱應(yīng)力

SMD LED是由支架、晶片、固晶底膠、連接線（金線、合金線、銅線等）和環(huán)氧樹脂等多類型、熱膨脹系數(shù)各異的材料復(fù)合而成。其中支架中的PPA和環(huán)氧樹脂對(duì)LED的可靠性影響最大，受熱應(yīng)力影響特別顯著。

1.2 濕應(yīng)力

所有的PPA吸收一定的水分，都會(huì)引起增塑作用，當(dāng)吸濕飽合后，Tg點(diǎn)會(huì)大幅度下降。當(dāng)PPA的Tg點(diǎn)降低后，回流焊的高溫就會(huì)導(dǎo)致PPA樹脂變形，從而導(dǎo)致內(nèi)部的金屬框架產(chǎn)生位移，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致焊點(diǎn)脫離和銀膠剝離，SMD LED出現(xiàn)失效點(diǎn)（瞎點(diǎn)）或間歇性失效點(diǎn)（時(shí)亮?xí)r不亮）。

2 基于超聲波掃描技術(shù)的失效分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 失效樣品失效分析

取瞎點(diǎn)的樣品先進(jìn)行無損分析——超聲波掃描。

案例1：SMD LED廠家A的3528燈管客戶使用3個(gè)月左右持續(xù)出現(xiàn)瞎點(diǎn)現(xiàn)象，寄回一個(gè)模組分析，用超聲波掃描儀掃描，結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可看出有50%存在分層，瞎點(diǎn)（圖中的1、2、3）的管腳分層嚴(yán)重，取瞎點(diǎn)進(jìn)行解剖分析，結(jié)果是掉電極、B或D點(diǎn)斷、E點(diǎn)脫開等不良現(xiàn)象。

案例2：SMD LED廠家C的2020 LED生產(chǎn)過程中出現(xiàn)瞎點(diǎn)比率超標(biāo)，隨著持續(xù)點(diǎn)亮?xí)r間的延長(zhǎng)，不良率跟著增加，呈現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，抽取一個(gè)模組進(jìn)行超聲波掃描，掃描結(jié)果如圖3所示。在瞎點(diǎn)SMD LED位置均出現(xiàn)管腳部位分層嚴(yán)重，對(duì)瞎點(diǎn)的SMD LED進(jìn)一步解剖分析，結(jié)果是B或D點(diǎn)斷、E點(diǎn)脫開等不良現(xiàn)象。

綜上，從兩個(gè)案例中可看出失效模組均存在SMD LED分層現(xiàn)象。

2.2 實(shí)驗(yàn)掃描分層的樣品是否會(huì)失效

取超聲波掃描有分層嚴(yán)重但測(cè)試還未出現(xiàn)瞎點(diǎn)的SMD LED分別進(jìn)行高溫高濕存儲(chǔ)和冷熱沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從以上實(shí)驗(yàn)可得出，SMD LED有分層嚴(yán)重的，可靠性差，在后續(xù)使用中會(huì)出現(xiàn)瞎點(diǎn)不良。

2.3 產(chǎn)生分層的原因

取庫存不同廠家（C、D、E）的真空包裝好的SMD LED，各50PCS，進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)①：直接進(jìn)行分層掃描，均未發(fā)現(xiàn)分層，再過一次回流焊后進(jìn)行分層掃描。

實(shí)驗(yàn)②：吸潮24h（40℃，RH90%）→回流1次，再進(jìn)行掃描分析。

實(shí)驗(yàn)③：吸潮48h（40℃，RH90%）→回流1次，再進(jìn)行掃描分析。

實(shí)驗(yàn)④：吸潮72h（40℃，RH90%）→回流1次，再進(jìn)行掃描分析。

實(shí)驗(yàn)⑤：吸潮120h（40℃，RH90%）→回流1次，再進(jìn)行掃描分析。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表2）可看出，隨著受潮時(shí)間的增加，表貼燈的內(nèi)部分層就越嚴(yán)重，但還沒有立即出現(xiàn)失效問題。部分實(shí)驗(yàn)掃描分層圖見圖4～圖6。

2.4 吸潮后如何處理

對(duì)吸潮后的SMD LED進(jìn)行高溫60℃（因考慮到卷盤能承受的溫度而定）烘烤，不同的烘烤時(shí)間后再過回流焊，回流焊后再進(jìn)行超聲波掃描，結(jié)果如下。

（1）對(duì)吸潮24h（40℃，RH90%）、48h（40℃，RH90%）的SMD LED進(jìn)行不同時(shí)間的烘烤，烘烤后再過回流焊一次再掃描。

實(shí)驗(yàn)⑥：吸潮24h（40℃，RH90%）→回流1次→烘烤4h（60℃）→回流1次。

實(shí)驗(yàn)⑦：吸潮24h（40℃，RH90%）→回流1次→烘烤24h（60℃）→回流1次。

實(shí)驗(yàn)⑧：吸潮48h（40℃，RH90%）→回流1次→烘烤4h（60℃）→回流1次。

實(shí)驗(yàn)⑨：吸潮48h（40℃，RH90%）→回流1次→烘烤24h（60℃）→回流1次。

從表3中可看出受潮24h、48h的產(chǎn)品，經(jīng)烘烤4h，仍有較嚴(yán)重的分層現(xiàn)象；經(jīng)烘烤24h后，分層現(xiàn)象改善明顯。部分實(shí)驗(yàn)分層圖如圖7～圖10所示。

（2）對(duì)受潮后進(jìn)行烘烤24h處理的產(chǎn)品進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，以驗(yàn)證烘烤的效果，試驗(yàn)情況如表4所示。

3 結(jié)論

提高表貼燈管（SMD LED）顯示屏的可靠性是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅需要熟悉了解表貼燈管的材料特性，而且要解決并掌握顯示屏的生產(chǎn)制造的管控方法、關(guān)鍵工藝技術(shù)、實(shí)驗(yàn)分析方法及策量控制重點(diǎn)。

通過本項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)和分析，可得出以下結(jié)論。

（1）不同廠家的表貼燈管（SMD LED）的分層程度不同，分層跟各廠家所用材料、生產(chǎn)工藝、保管方式有關(guān)。

（2）表貼燈管（SMD LED）分層會(huì)引起瞎點(diǎn)或時(shí)亮?xí)r不亮。

（3）表貼燈管（SMD LED）分層是因?yàn)楸碣N燈管（SMD LED）受潮引起的，隨著受潮時(shí)間的增加，分層程度會(huì)越來越嚴(yán)重。

（4）表貼燈管（SMD LED）受潮的可通過高溫烘烤除濕，烘烤時(shí)間越長(zhǎng)，分層比率就越低，烘烤到24h，基本能除去SMD LED里面的濕氣。

按以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，建議SMD LED的使用應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

（1）SMD LED屬于濕敏元件，應(yīng)按照IPC-JEDEC J-STD-033標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品管控。

（2）在回流焊之前建議將開包后的SMD LED放入烤箱，進(jìn)行60℃、24h的烘烤后再使用。

（3）使用一卷料取出一卷，待使用的產(chǎn)品保存在60℃的環(huán)境下，以確保SMD LED使用前不再受潮氣的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜彬.戶外全彩顯示屏SMD LED光源封裝技術(shù)研究[J].中國電子商情，2014（7）：50-56.

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