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失效分析

LED失效分析案例

该LED射灯在客户端短期使用,出现比较严重的死灯、暗亮、闪烁等失效现象,经初步分析为内部线路接触不良所致。为查找导致线路接触不良的根本原因,改善产品质量,现对其进行失效分析。 
2. 试验与结果
2.1 外观检查 图1为客户提供样品的典型照片,产品具体电学光学指标为6W/ (220~240)VAC/ (50/60)Hz/ 2700K,外观检查均未发现明显异常。

2.2通电测试 
如图2所示,利用客户提供的LED灯具测试板对其提供的样品进行通电测试,点亮老化1小时,其中失效样品均出现死灯、暗亮、闪烁灯异常,正常样品正常点亮。对LED灯具进行制样过程中及制样后(见图3、4),利用直流电源对LED两端加12V、限制40mA上限电流进行通电测试,发现失效灯珠均有异常,正常灯珠正常点亮。通电测试时,对部分失效LED灯珠按压时,死灯LED灯珠能短暂恢复点亮。  2.3 X-Ray透视检查 对失效LED灯珠进行X-Ray透视检查,可以发现灯珠内部存在键合引线断开、不规则弯曲等现象。 
2.4 显微检查 将失效样品开封,对其内部结构进行观察,发现灯珠内部键合引线几乎全部断裂,断裂部位集中于B点和D点,少量位于C点(见图7)。  
需要注意的是,金线来料组织异常、焊线参数不匹配都会对焊线可靠性产生不利影响,但这些不良均不至于导致键合引线如此大面积的断裂。导致这种失效现象的根本原因只可能是使用过程中LED灯珠内应力过大,辅之以上种种不良,才会导致大规模断线。导致灯珠内应力过大的原因有三个:超功率使用,一般表现为过电流;散热不良,热阻较大;灯珠材料热膨胀系数失配。 2.5 射灯电源输出功率测试 该LED射灯的使用电压为(220~240)VAC,将外部电源的输出电压分别设置为220V和240V,测试LED射灯电源的输出电流和电压,测试结果见图8和图9。两者均小于LED灯珠的最大额定参数,射灯电源设计符合LED灯珠的使用条件。



 
2.6 热学测试 利用T3Ster热瞬态测试仪测试LED灯珠自身的热阻,测试条件为:室温25℃;输入电流300mA。测试结果如图10所示,此款COB形式的LED灯珠热阻很小,散热效果良好。  
为了测试LED射灯正常使用条件下的温度分布,利用红外热像仪对LED射灯进行扫描,扫描结果如图11所示, 推测实际使用过程中LED灯珠内部的结温应该处于100℃左右,几乎可以满足LED芯片的正常使用。值得一提的是,LED灯珠与底座之间的界面热阻较大,不利于热的传导。  
2.7 CTE匹配度测试 取5pcs正常灯珠进行冷热冲击试验,将测试之后的LED灯珠点亮老化10分钟,发现5颗样品中有4颗出现死灯、闪烁等异常现象,说明此款LED灯珠本身的热膨胀系数匹配程度较差,无法承受正常使用条件下的高温。 

3. 理论分析 焊线制程引入的不良不是导致键合引线大面积断裂的主因,导致这种失效现象的根本原因只可能是使用过程中LED灯珠内应力过大,辅之以上种种不良,才会导致大规模断线。导致灯珠内应力过大的原因有三个:
(1)超功率使用,一般表现为过电流;
(2)散热不良,热阻较大;
(3)灯珠材料热膨胀系数失配。
(1)对LED射灯恒流电源进行功率检测,发现该电源参数(输出功率、输出电流)远小于LED灯珠的最大额定参数,射灯电源设计符合LED灯珠的使用条件。
(2)LED灯珠本身的热阻极小,灯具正常使用条件下的芯片结温约为100℃,温度略高,几乎可以满足芯片的正常使用。
(3)LED灯珠材料间的热膨胀系数差异较大,导致温变过程中的内应力较大,即LED灯珠本身的耐热性能并不理想。由以上分析可知,内应力主要来自于材料CTE不匹配,此款灯珠耐热性较差,所以在不改变设计的前提条件下,该LED灯珠并不适用于此款LED射灯。 

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