LED光衰失效分析

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。

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。

将OK和NG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。

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。

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OK样70%；

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

作者简介：

MTT（美信检测）是一家从事材料及零部件品质检验、鉴定、认证及失效分析服务的第三方实验室,网址：www.mttlab.com,联系电话：400-850-4050。