LED光衰失效案例分析

1. 案例背景

該產品使用領域為醫療方面，牙醫使用此LED作為光源，白光LED在使用一段時間后，出現光衰及藍光現象，委托方要求分析LED光衰的失效機理，并給出改進建議。

2. 分析方法簡述

外觀檢查中可以比較明顯看出OK樣比NG樣熒光層顏色鮮艷。

通過X射線透視檢查，OK樣和NG樣內部線路均未發現開路問題。

將OK和NG切片，然后在金相顯微鏡下放大觀察熒光層與芯片層發現NG樣有斷層產生，而OK樣沒有。

通過SEM/EDS分析，OK樣熒光粉層中未檢測到鎵（Ga）元素，檢測到有鉀（K）元素，而NG樣熒光粉層檢測到Ga元素，未檢測到K元素。

3. 分析與討論

外觀檢查中可以比較明顯看出OK樣比NG樣熒光層顏色鮮艷；LED光譜圖14可以看出OK樣和NG樣在藍光區發光強度基本一致，表明芯片基本沒有受損，而熒光粉發光區域出現明顯差異，NG樣藍光相對強度為32%，明顯低于OK樣70%；

OK樣和NG樣光譜圖

OK樣和NG樣熒光粉層成分差異，基本可以判定失效現象是由于熒光粉在工作過程發生變性而產生；其失效機理如下：

元素分析中我們可以看到有Lu元素和K元素的存在，熒光粉效率隨著加入鉀離子濃度的提高而增加，其發光強度逐漸增強，當鉀離子增加到一定值后，其發光強度逐漸降低，Lu離子起到將藍光轉換為黃光作用，然后藍光和所激發黃光混合發出白光。

由溫度測試我們發現發白光的光衰NG樣品所能達到的溫度高于發藍光NG樣，表明熒光粉情況良好反而導致散熱性能相對不好，內部溫度短時間內能達到較高溫度。該產品使用領域為醫療方面，牙醫使用此LED作為光源，診斷完一位病人需要一定時間，診斷完后會將關掉，待下一位病人過來有需要打開，診斷一定時間后又關掉，如此循環往復，造成LED燈每回工作達到一個較高溫度后又降至常溫，然后又升到較高溫后降溫，循環往復造成封裝材料熱脹冷縮，而由于不同封裝材料熱膨脹系數不一樣，從而導致材料之間在高溫與低溫不斷變化過程中產生斷層或裂紋。正常樣和失效樣均發現有斷層現象，可能是由于正常樣已經處于失效萌生狀態。

發生斷層后熒光粉層與發光極接觸產生電遷移，NG樣電極上Ga離子被遷移進熒光粉層，而熒光粉層中本應有的K離子被遷移到別處。隨著K離子被遷移出熒光層，導致熒光粉發光效率不斷降低，最終導致芯片所發藍光和熒光粉層所激發黃光不匹配，從而導致正常LED燈首先經歷光衰，隨著黃光強度不斷降低，最終發出藍光。

4. 結論

失效LED產生光衰及藍光現象的可能原因：封裝材料熱膨脹系數不一樣，LED所使用熒光粉散熱性能不好，產生大量熱量聚集于LED內部，導致內部溫度過高，使LED內部不同層間出現斷裂或裂紋，與此同時工作電壓的存在使電遷移的發生產生了可能，導致K離子遷移，熒光層發光效率隨著K離子的不斷遷移而降低，黃光強度不斷降低，因此失效樣品首先出現光衰現象，然后出現藍光現象。

建議：1）優化系統的散熱性能參數。

      2）改善目前LED材料之間的熱膨脹系數匹配性較差的問題。

5. 參考標準

GJB 548B-2005 微電子器件失效分析程序-方法5003

IPC-TM-650 2.1.1-2004手動微切片法

GB/T 17359-2012 電子探針和掃描電鏡X射線能譜定量分析通則