LED失效分析手段研究

胡春田，张 华

（深圳市计量质量检测研究院，深圳 518055）

LED失效分析手段研究

胡春田，张 华

（深圳市计量质量检测研究院，深圳 518055）

介绍LED产品常见的失效分析手段，主要包含外观检查、电性能测试、X-Ray透视检查、开封检查、金相切片分析、扫描电镜和能谱分析等手段，并结合实际案例对几种方法进行描述。

LED；失效分析；X-Ray；开封；金相切片；扫描电镜；能谱仪

引言

与传统照明灯具，即白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯相比，LED作为第四代光源，其具有绿色环保、电光转化效率高、寿命长、工作电压低、响应快、体积小等一系列优点，被广泛应用于显示、照明、背光灯诸多领域，其巨大的经济效益和广泛的应用前景，使得LED越来越受人们的关注，但目前市场上的LED产品质量参差不齐，可靠性问题接踵而至，如何提高LED的可靠性成为了LED研究的重中之重，而对LED的可靠性研究着重点落在LED的失效分析上，这可从根源上解决其可靠性问题，为LED的早期失效筛选及产品的质量管理提供依据。

1 LED结构简介

LED即为发光二级管，是一种将电能转化为光能的半导体固体发光器件，图1为某公司生产的白光LED典型外观图，其结构主要包含以下几部分：引线、支架、封装胶、键合丝、LED芯片、固晶胶及荧光粉。LED的可靠性和其各结构的材料来源、生产工艺以及装配过程密切相关，而通过失效分析的不同手段，可分别获得各结构的具体失效情况，从而对产品的可靠性提出中肯的建议和改进。

2 LED失效分析手段

根据失效分析的常规原则：先无损再有损，先外观检查，电性能测试再破坏性分析如开封（Decap），金相切片等，Decap后也需先无损（不引入新破坏）后破坏。LED的失效分析手段根据这原则可分为外观检查、电性能检测、X-Ray透视检查、Decap、金相切片分析、扫描电镜和能谱分析及其它分析手段。以下通过相应的LED案例进行一一介绍。

图1 LED典型外观图

2.1 外观检查

外观检查可通过目测和显微镜检的方式进行拍照取证，其目的意在清楚直观的体现样品外观的真实情况以及一些难以描述的异常现象，还可排除后续分析过程中引起的其它特征变化。

某公司户外使用的LED视频灯出现了死灯，针对死灯灯珠进行外观检查发现，支架出现严重发黑，且封装胶体中有明显的灰尘渗入，外部胶体边界有明显气泡，如图2所示。从外观检查我们可以得出分析思路，后续可用能谱分析发黑物质主要是什么，从何处引入即可。

2.2 电性能检测

LED的主要电性参数包括正向电流、正向电压、反向电压、反向漏电流等。通过对电参数的测试可发现工作过程中LED是否出现参数异常，然后再根据异常的参数反推导致LED失效的可能原因。

某公司生产的LED灯板（8串16并）在出厂测试中，能正常工作，但断电时，其中一组8串灯珠中有一颗灯珠先熄灭，同组其它7颗灯珠随后缓慢熄灭，当把先熄灭的灯珠换成OK的灯珠时，则无此现象出现。针对这组的8颗灯珠分别进行电性参数检测，发现先熄灭的灯珠其漏电流超过厂家规定值（10μ A），表现出明显的异常，如图3和图4所示。

根据电性能测试结果，知道失效的原因是漏电流过大引起，从而我们后续的分析步骤就是从引起LED漏电的原因处着手，对可能原因进行逐一排除再确认，最终定位根本原因。

图2 失效灯珠的典型外观图

2.3 X-Ray透视检查

X-Ray透视的原理是根据样品不同部位的材料对X射线的吸收率和透射率不同，利用X射线通过样品各部位材料衰减后的射线强度检测样品内部缺陷。可以检查LED内部的引线键合情况和外部的焊接情况。能看到引线的不连续性和损坏以及位置未对准的线路或者焊盘等。

图3 失效灯珠和正常灯珠的I-V曲线图

图4 失效灯珠的反向漏电流监测图

某公司生产的LED灯管，其中有个别灯珠出现死灯现象，经X-Ray透视检查，能明显看到灯珠内部金线在第二焊点处完全断开，如图5所示。为进一步确认金线断裂的原因，首先需要开封确认金线断裂面的形状，初步判定是机械原因还是键合不良造成，从而进行更深层次的分析。

2.4 开封检查

开封检查是一种破坏性的分析方法，是用特殊的溶液（业界常用蓝药水）将LED的塑封胶去除，但能同时保持内部结构和功能的完整性。

开封只是一种用来去除塑封胶部分的单纯手段，如需检查内部结构则需要配合光学显微镜、电子显微镜或能谱仪作进一步分析。

某公司生产的LED灯珠出现死灯现象，但用外力通过封装胶体对芯片进行按压则能正常发光，撤去外力则不亮，用X-Ray透视发现金线在第二焊点处有明显断裂，对其进行开封并用扫描电镜观察，可以明显看到第二焊点处的金线完全断裂，且断口有颈缩及金属材料的机械拉尖特征，如图6所示，故可判定金线的断裂属于机械应力造成。

某公司生产的三芯片白光LED模块中，其中有少数几个颗灯珠的蓝光芯片不亮，通过外观检查，X-Ray透视检查均没发现异常，将蓝光芯片不亮的灯珠进行开封发现，蓝光芯片的负极电极有明显脱落，如图7所示。用外力拉断负极金线，发现电极连同金球从芯片表面完全剥离，通过能谱分析电极所在位置的芯片表面，无异常元素发现，说明电极脱落和芯片表面的污染无关，可能和电极的制作工艺有关，需和电极制作厂商取得进一步联系确认。

图5 失效灯珠的X-Ray透视图

2.5 金相切片观察

金相切片是一种观察样品截面组织结构情况的最常用的的制样手段，属于破坏性分析方法，切片后的样品同样也需要用立体显微镜、金相显微镜或者扫描电镜来进行观察拍照，也可用能谱仪进行成分分析。

针对LED的失效分析，金相切片的位置常选择金线的第一焊点和第二焊点处，在金线的第一焊点处可对芯片的垂直结构有一个全部而且直观的体现，既能看到各层自身的缺陷，包括：支架、固晶胶、衬底、外延层、电极、金球、荧光粉以及封装树脂，还能看到层与层之间的粘接及焊接情况。在第二焊点处则主要是观察第二焊点的焊接情况等。

图6 失效灯珠开封后的SEM图

图7 失效灯珠开封后的蓝光芯片SEM图

某公司生产的白光LED灯管，在出厂前的老化过程中发现部分灯珠点亮后间隔半小时到两小时就自动变暗熄灭了，但室温恢复至少2h后仍可以重新点亮，需分析原因。通过外观检查，X-Ray透视检查未发现明显的问题，对失效灯珠进行开封发现，在正极金线的第二焊点处金线有断裂，于是对其它的失效灯珠的第二焊点进行切片分析并用扫描电镜观察，发现金线的第二焊点有的有缩颈（见图8），有的有明显的裂纹（见图9），因为是在出厂前的老化实验过程中发现问题，故一开始可以点亮，时间一长，这些金线都会形成开路造成灯珠死灯。

图8 失效灯珠1第二焊点切片后的SEM图

图9 失效灯珠2第二焊点切片后的SEM图

图10 失效灯珠开封后的SEM图

2.6 扫描电镜和能谱分析

扫描电子显微镜简称扫描电镜，是用来观察样品表面形貌的设备，和能谱仪的搭配使用，可以对所观察区域进行点、线和面的成分分析。

在LED的失效分析应用中，扫描电镜和能谱仪的数据常作为结论的一种判据，起到画龙点睛的作用。

某公司生产的LED在存放过程中检查发现有死灯现象，通过外观检查和X-Ray透视都未发现异常，电性能检测发现LED漏电非常明显，怀疑是仓库的存储不当所产生的静电放电引起的，于是对失效的LED灯珠进行开封，并用扫描电镜观察，在芯片正极周围的确观察到了典型的静电击穿特征，如图10所示，因此问题得以迎刃而解。

2.7 其它分析

除了以上几种常见的分析手段之外，在分析过程中，我们还可能会涉及到封装树脂的热学性能分析，如热膨胀系数等。寻找静电击穿特征所需用的微光显微镜（EMMI）等。失效分析是综合性的分析，涉及到电学、材料学、热学等多学科领域，因此只要能通过一定的手段找到失效原因的，都可以拿来应用到这上面进行更详尽的分析。

3 结束语

本文结合具体的LED失效分析案例对常用的LED失效分析手段进行了介绍，旨在引出LED失效分析的思路，明确每一种手段的目的和意图，使分析过程更加有目的性。

[1] 苏永道,吉爱华,赵超 . LED封装技术[M].上海:上海交通大学出版社, 2010.

[2] 姚立真.可靠性物理[M].北京:电子工业出版社,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，湖南娄底人，工学硕士，环境与可靠性试验室工程师。

张 华（1979-），男，江西萍乡人，工学硕士，环境与可靠性试验室工程师。