LED失效的机理和过程优化分析_朱先明.pdf

光电材料与器件 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明54LED 失效的机理和过程优化分析*朱先明湖南汽车工程职业学院，湖南 株洲 412001摘要：为了找出导致 LED 失效的根本原因，确定提高LED 可靠性的措施，文章提出一套行之有效的 LED 失效解决方案。首先，根据 LED 的封装结构和发光原理，从 LED 失效时期、LED 失效分析方法、LED 的结温及测量方法三个方面入手，介绍了 LED 失效分析过程。其次，从失效环境、无损检测、化学开封、LED 驱动电源分析、温升测试、热阻测试等方面入手，研究了LED 失效解决案例。结果表明：文章所提出的 LED 失效解决方案具有较高的可靠性和可行性，通过加强对散热和电源设计流程的优化，在某种程度上可以提高LED 的稳定性和可靠性，完全符合实际应用需求。关键词：LED；发光原理；LED 失效；稳定性分类号：TM923.340引言在 LED 照明技术的不断发展和普及下，传统白炽灯被 LED 照明灯替代。但是，LED 照明灯经过长时间的使用后，难免会出现各种失效问题，其失效机理通常与 LED 光衰退化、电应力等因素密切相关，分析LED 失效机理，可以为后期提高 LED 可靠性提供重要参考，如何进行 LED 失效机理分析和过程优化是维修人员必须思考和解决的问题。1LED 的发光原理和封装结构1.1 LED 的发光原理LED 是一种重要的电子组件和半导体材料，其通电后可以持续发光。LED 使用的化学物质以磷化镓、砷化镓为主，具有反应快、体积小、节能降耗、无污染、可量产、成本低等特性。LED 主要由若干个半导体 PN 结组成，其中的空穴一旦受到外力影响会自动移动到 N 区，此时来自 N区的电子会逐渐向 P 区缓慢移动，然后在 PN 结形成相应的势垒，起到抑制电子扩散的作用，确保电子扩散始终处于比较稳定的状态。接上正极电源，可以向PN 结施加一定的正电压，此时势垒呈现不断降低的趋势，导致势垒区变得越来越狭窄，来自 N 区的电子会逐渐向 P 区缓慢移动，来自 P 区的空穴会逐渐向 N 区缓慢移动。当电子与空穴碰撞结合后，会形成电子复合现象，同时能量会以光子的方式释放，LED 会出现稳定发光现象。1.2 LED 的封装结构LED 的封装主要经历了指示型阶段和功率型阶段两个阶段，单个 LED 芯片输入功率的最小值和最大值分别为 1 W 和 5 W。LED 光源主要由荧光粉和环氧树脂两种材料封装后形成1，LED 封装材料的热导率如表 1 所示。表 1LED 封装材料的热导率材料热导率/W（mK）-1环氧树脂（epoxy）0.2银环氧树脂（silver epoxy）2.5 7.5蓝宝石（sapphire）35 46铅锡（Pb/Sn）50氮化镓（GaN）130 140硅（Si）148 150铝（Al）237金（Au）317LED 是一种常见的发光显示器件，其结构主要由基座、芯片、硅胶、透镜等部分组成。基座上方的反射镜内贴有芯片，芯片上方涂抹一层薄薄的荧光粉，使用金线可以将芯片与基座连接。硅胶填充于反射镜上，同时在硅胶表面放置相应的透镜盖。根据 LED 的材料和结构特点，LED 失效与 LED 芯片的可靠性有关，内外键合点连接稳定性、芯片粘接在基板上的可靠性、芯片散热效果等都与 LED 失效息息相关。文章编号：2096-9317（2023）01-0054-03*基金项目：2022 年度湖南省自然科学基金项目“新能源汽车 LED灯珠失效机理分析与驱动电源关键技术研究”（2022JJ60066）作者简介：朱先明，男，本科，副教授，研究方向为汽车电子技术。光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 光电材料与器件552LED 失效分析2.1 LED 失效时期LED 失效率与时间的关系如图 1 所示。根据失效率，LED 失效时期通常包含早期失效期、随机失效期和耗损失效期三个时期。LED 在使用初期通常表现出较高的失效率，随着时间延长，其失效率会出现下降趋势。经过一段时间的使用后，LED 的性能逐渐趋于稳定2，此时，LED 进入随机失效期。当 LED 使用时间不断延长时，在磨损、腐蚀等各种耗损因素的影响下，LED 进入耗损失效期，此时，LED 的失效率会随着时间的不断延长而呈现出不断上升的趋势，甚至还会出现 LED 报废问题3。失效率早期失效随机失效耗损失效时间允许失效率图 1LED 失效率与时间的关系2.2 LED 失效分析方法LED 失效分析主要是指利用电学、化学等各种分析技术手段，对 LED 失效机理进行全面分析。LED 失效分析方法在实际运用中通常要遵循“先无损分析，后破坏性分析”原则，其分析流程如图 2 所示。然后，根据所检测的 LED 失效机理，采用相应的措施，对LED 产品进行针对性改进和优化，以大幅度提高 LED产品的可靠性和稳定性，从而延长 LED 产品使用寿命、降低资金投入成本。失效发生收集环境信息分析方案设计无损分析破坏性分析温度应力分析确认失效机理模拟验证报告汇总图 2LED 失效分析流程图2.3 LED 结温及测量方法当电流经过 PN 结时，LED 的温度会呈现不断上升的趋势，此时，需要用结温 T 表示 LED 的 PN 结的温度。LED 芯片尺寸较小，可以将 LED 芯片的温度统一定义为 LED 产品的结温。LED 结温测量试验装置主要是由热电偶、计算机、支架和数据采集卡等部分。在试验中，先采用间接测定方法，对 LED 产品结温进行科学测定，然后利用热电偶，对 LED 底面的温度进行直接测定，从而确定LED PN 结与支架底面二者之间存在的热阻关系，并精确地计算出 LED 产品的结温。3案例分析采用试验验证的方式，分析 LED 产品的可靠性，发现 LED 处于 25 常温下，并经过 2 h 老化后，灯板上有三颗 LED 照明灯出现不亮现象，此时，需要对失效的 LED 产品进行系统化分析。3.1 无损检测取下 LED 样品后，需要采用无损检测的方式检测失效 LED 样品，在这个过程中，先利用光学显微镜检查失效 LED 样品的外观，发现 LED 芯片四周存在发黑问题。然后利用恒流源表，采用光电参数测试法，对发黑 LED 进行全面测试，发现 LED 整体上呈现完全开路状态。接着，利用 X-Ray 检测仪，采用 X 射线无损检测的方式，对失效 LED 样品进行探测，发现 LED 内部引线处出现断开问题。3.2 化学开封分析为了深入分析 LED 样品失效机理，采用化学开封分析法，全面分析失效 LED 样品。借助化学溶液，溶解样品表面上的封装胶，便于后期分析样品内部结构和成分。同时，要利用三维显微镜检查开封处理后的失效 LED 样品的外观。经过检查，发现失效 LED 样品芯片外延层表面出现严重发黑问题，同时，芯片电极与引线之间始终处于断开状态，这表明导致 LED 失效的根本原因是 LED 芯片失效。3.3 电子显微镜与能谱分析应用电子显微镜和能谱仪，通过定点分析的方式，全面分析失效 LED 样品芯片外延层实际发黑情况，不难发现，芯片外延层出现严重烧毁现象，导致引线与芯片电极之间的连线出现烧断现象。此时，采用能谱仪成分分析法，对 LED 芯片发黑处进行全面检测，发现芯片外延发黑处含有大量的碳、氧、硅、铝等元素，光电材料与器件 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明56这些元素均来自芯片外延层，但是，并没有找到异常元素，这表明 LED 芯片引线出现烧断是导致 LED 样品失效的根本原因。3.4 LED 驱动电源分析采用化学开封分析法，不难发现导致 LED 失效的根本原因是 LED 芯片在大电流环境下出现引线烧断现象。为了追踪 LED 失效机理，需要采用 LED 驱动电源分析法，对 LED 样品内部驱动电源进行全面分析。首先，对 LED 内部的回路电流进行全面检测，检测发现，当 LED 电源处于稳定状态时，其电流峰值、平均值分别达到了 67.3 mA、38.8 mA。当 LED 电源启动后，出现瞬间波形问题，经过示波器测试，发现电源输出峰峰值、平均值分别为 87.7 mA、31.2 mA，此时 LED 对应的额定电流仅为 60 mA，这表明 LED 的实际电流值比额定电流值还要高，可以推断出 LED 内部电源输出存在问题。因此，维修人员要不断地优化和完善 LED 电源输出流程。3.5 温升测试采用温升测试法，对失效 LED 样品进行测试。借助温度数据采集器，采集 LED 引脚温度、环境温度等数据，获得相应的温度数据采集结果。经过采集，发现 LED 引脚温度达到了 116，该温度远远超过环境实际温度，这表明 LED 工作环境温度过高，LED 芯片老化是导 LED 样品失效的主要原因。因此，维修人员要做好对失效 LED 样品散热设计的改造和优化。3.6 热阻测试采用热阻测试法，对失效 LED 样品进行测试，将失效环境温度统一设置为 96，其测试结果如表 2所示，LED 样品的平均结温 T=（7.346+24.65+4.799+15.82）1.159+96 156.98。计算发现，LED 样品的平均结温达到了 156.98，远远超过了 LED 芯片的最高结温 120。LED 样品处于正常使用状态时，其环境温度达到了 116，这表明 LED 芯片结温远远超过所测试的所有 LED 芯片的最高结温，导致 LED 样品失效的根本原因是 LED 芯片长期处于最高结温使用环境。3.7 模拟验证测试将所选用的良品 LED 放置于 25 常温环境下进行老化处理，老化时间统一控制在 1 h 以内，并对灯板进行瞬间打开、关闭处理，发现 LED 瞬间出现发黑问题。此时，采用开封处理的方式，对 LED 样品进行处理，发现 LED 芯片外延表面出现烧毁问题。3.8 优化验证LED 样品的设计一旦出现过于密集现象，会导致LED 出现散热不畅现象，同时，电源输出会出现较高瞬间脉冲电流。为了深入分析和验证 LED 样品失效机理，需要对 LED 样品进行优化验证，并取出所需要的良品LED，将 LED 样品放置于 25 常温环境下和 105 高温环境下，对其进行 4 h 老化处理。处理后发现LED 样品并没有出现死灯或者异常问题，这表明 LED失效的根本原因是 LED 散热设计存在缺陷、电源输出设计存在不足，因此加强对 LED 散热性能的优化、提高电源的稳定性是最大限度地提高 LED 样品可靠性和稳定性的重要方式。4结束语综上所述，应用 SEM 电镜、温升测试仪等设备分析 LED 失效机理，发现导致 LED 失效的根本原因是散热设计不科学、驱动电源恒流输出存在缺陷等。当结温过高时，LED 封装材料会出现严重的性能老化现象，从而增加 LED 失效风险。适当地降低 PN 结的温度，选用恒流输出稳定、散热性能良好的驱动电源，可以保证 LED 的稳定性和可靠性。参考文献1 陈海林.电梯用LED应力分析及其失效机理研究J.环境技术,2018(S1):59-62,67.2 焦春生.电视背光LED灯失效机理和分析方法J.电视技术,2017,41(7):100-103,109.3 刘春辉,许英朝,王嘉伟,等.GaN基蓝光LED吸湿失效分析及改善J.激光杂志,2022,43(2):21-26.表 2LED 热阻测试数据参数参数值温升/60.19加热时间/s120基座温度/96功率/W1.159芯片层功率/W7.346固晶层功率/W24.65支架层功率/W4.799导热胶布功率/W15.82