從LED光源的五大原物料淺析LED死燈的25種原因

　　今天我們就LED死燈為例，來分析有多少種原因：

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　　以失效分析大數據顯示，LED死燈的原因可能過百種，限於時間，今天我們僅以LED光源為例，從LED光源的五大原物料（晶片、支架、螢光粉、固晶膠、封裝膠和金線）的入手，介紹部分可能導致死燈的原因。

　　

　　晶片

　　

　　01、晶片抗靜電能力差

　　LED燈珠的抗靜電指標高低取決於LED發光晶片本身，與封裝材料預計封裝工藝基本無關，或者說影響因素很小，很細微；LED燈更容易遭受靜電損傷，這與兩個引腳間距有關係，LED晶片裸晶的兩個電極間距非常小，一般是一百微米以內吧，而LED引腳則是兩毫米左右，當靜電電荷要轉移時，間距越大，越容易形成大的電位差，也就是高的電壓。所以，封成LED燈後往往更容易出現靜電損傷事故。

　　02、晶片外延缺陷

　　LED外延片在高溫長晶過程中，襯底、MOCVD反應腔內殘留的沉積物、外圍氣體和Mo源都會引入雜質，這些雜質會滲入磊晶層，阻止氮化鎵晶體成核，形成各種各樣的外延缺陷，最終在外延層表面形成微小坑洞，這些也會嚴重影響外延片薄膜材料的晶體質量和性能。

　　03、晶片化學物殘餘

　　電極加工是製作LED晶片的關鍵工序，包括清洗、蒸鍍、黃光、化學蝕刻、熔合、研磨，會接觸到很多化學清洗劑，如果晶片清洗不夠乾淨，會使有害化學物殘餘。這些有害化學物會在LED通電時，與電極發生電化學反應，導致死燈、光衰、暗亮、發黑等現象出現。因此，鑑定晶片化學物殘留對LED封裝廠來說至關重要。

　　04、晶片的受損

　　LED晶片的受損會直接導致LED失效，因此提高LED晶片的可靠性至關重要。蒸鍍過程中有時需用彈簧夾固定晶片，因此會產生夾痕。黃光作業若顯影不完全及光罩有破洞會使發光區有殘餘多出的金屬。晶粒在前段製程中，各項製程如清洗、蒸鍍、黃光、化學蝕刻、熔合、研磨等作業都必須使用鑷子及花籃、載具等，因此會有晶粒電極刮傷的情況發生。

　　晶片電極對焊點的影響：晶片電極本身蒸鍍不牢靠，導致焊線後電極脫落或損傷；晶片電極本身可焊性差，會導致焊球虛焊；晶片存儲不當會導致電極表面氧化，表面玷汙等等，鍵合表面的輕微汙染都可能影響兩者間的金屬原子擴散，造成失效或虛焊。

　　05、新結構工藝的晶片與光源物料的不兼容

　　新結構的LED晶片電極中有一層鋁，其作用為在電極中形成一層反射鏡以提高晶片出光效率，其次可在一定程度上減少蒸鍍電極時黃金的使用量從而降低成本。但鋁是一種比較活潑的金屬，一旦封裝廠來料管控不嚴，使用含氯超標的膠水，金電極中的鋁反射層就會與膠水中的氯發生反應，從而發生腐蝕現象。

　　LED支架

　　

　　06、鍍銀層過薄

　　市場上現有的LED光源選擇銅作為引線框架的基體材料。為防止銅發生氧化，一般支架表面都要電鍍上一層銀。如果鍍銀層過薄，在高溫條件下，支架易黃變。鍍銀層的發黃不是鍍銀層本身引起的，而是受銀層下的銅層影響。在高溫下，銅原子會擴散、滲透到銀層表面，使得銀層發黃。銅的可氧化性是銅本身最大的弊病。當銅一旦出現氧化狀態，導熱和散熱性能都會大大的下降。所以鍍銀層的厚度至關重要。同時，銅和銀都易受空氣中各種揮發性的硫化物和滷化物等汙染物的腐蝕，使其表面發暗變色。有研究表明，變色使其表面電阻增加約20～80％，電能損耗增大，從而使LED的穩定性、可靠性大為降低，甚至導致嚴重事故。

　　07、鍍銀層硫化

　　LED光源怕硫，這是因為含硫的氣體會通過其多孔性結構的矽膠或支架縫隙，與光源鍍銀層發生硫化反應。LED光源出現硫化反應後，產品功能區會黑化，光通量會逐漸下降，色溫出現明顯漂移；硫化後的硫化銀隨溫度升高導電率增加，在使用過程中，極易出現漏電現象；更嚴重的狀況是銀層完全被腐蝕，銅層暴露。由於金線二焊點附著在銀層表面，當支架功能區銀層被完全硫化腐蝕後，金球出現脫落，從而出現死燈。

　　08、鍍銀層氧化

　　金鑑檢測在接觸的LED發黑初步診斷的業務中發現硫／氯／溴元素越難越難找了，然而LED光源鍍銀層發黑跡象明顯，這可能與銀氧化有關。但EDS能譜分析等純元素分析檢測手段都不易判定氧化，因為存在於空氣環境、樣品表面吸附以及封裝膠等有機物中的氧元素都會干擾檢測結果的判定，因此判定氧化發黑的結論需要使用SEM、EDS、顯微紅外光譜、XPS等專業檢測以及光、電、化學、環境老化等一系列可靠性對比實驗，結合專業的檢測知識及電鍍知識進行綜合分析。

　　09、電鍍質量不佳

　　鍍層質量的優劣主要決定於金屬沉積層的結晶組織，一般來說，結晶組織愈細小，鍍層也愈緻密、平滑、防護性能也愈高。這種結晶細小的鍍層稱為「微晶沉積層」。金鑑指出，好的電鍍層應該鍍層結晶細緻、平滑、均勻、連續，不允許有汙染物、化學物殘留、斑點、黑點、燒焦、粗糙、針孔、麻點、裂紋、分層、起泡、起皮起皺、鍍層剝落、發黃、晶狀鍍層、局部無鍍層等缺陷。

　　在電鍍生產實踐中，金屬鍍層的厚度及鍍層的均勻性和完整性是檢查鍍層質量的重要指標之一，因為鍍層的防護性能、孔隙率等都與鍍層厚度有直接關係。特變是陰極鍍層，隨著厚度的增加，鍍層的防護性能也隨之提高。如果鍍層的厚度不均勻，往往其最薄的地方首先被破壞，其餘部位鍍層再厚也會失去保護作用。

　　鍍層的孔隙率較多，氧氣等腐蝕性的氣體會通過孔隙進入腐蝕銅基體。

　　10、有機物汙染

　　金鑑還指出，因為電鍍過程中會用到各種含有機物的藥水，鍍銀層如果清洗不乾淨或者選用質量較差以及變質的藥水，這些殘留的有機物一旦在光源點亮的環境中，在光、熱和電的作用下，有機物則可能發生氧化還原等化學反應導致鍍銀層表面變色。

　　11、水口料

　　塑料的材質是LED封裝支架導熱的關鍵，金鑑檢測發現如果PPA支架是水口料，會使PPA的塑料性能降低，從而產生以下問題：高溫承受能力差，易變形，黃變，反射率變低；吸水率高，支架會因吸水造成尺寸變化及機械強度下降；與金屬和矽膠結合性差，比較挑膠，與很多矽膠都不匹配。這些潛在問題，使得燈珠很難使用在稍大的功率上，一旦超出了使用功率範圍，初始亮度很高，但衰減很快，沒用幾個月燈就暗了。

　　螢光粉

　　

　　12、螢光粉水解

　　氮化物的螢光粉容易水解，失效。

　　13、螢光粉自發熱的機制

　　螢光粉自發熱的機制，使得螢光粉層的溫度往往高於 LED 晶片 p－n 結。其原因是螢光粉的轉換效率並不能達到 100％，因此螢光粉吸收的一部分藍光轉化成黃光，在高光能量密度 LED 封裝中螢光粉吸收的另一部分光能量則變成了熱量。由於螢光粉通常和矽膠摻在一起，而矽膠的熱導率非常低，只有 0．16 W／mK，因此螢光粉產生的熱量會在較小的局部區域累積，造成局部高溫，LED 的光密度越大則螢光粉的發熱量越大。當螢光粉的溫度達到 450 攝氏度以上是，會使螢光粉顆粒附近的矽膠出現碳化。一旦有某個地方的矽膠出現碳化發黑，其光轉化效率更低，該區域將吸收更多 LED 發出的光能量並轉化更多的熱量，溫度繼續增加，使得碳化的面積越來越大。

　　固晶膠

　　

　　14、銀膠剝離

　　導電銀膠的基體是環氧樹脂類材料，熱膨脹係數比晶片和支架都大很多，在燈珠的冷熱衝擊使用環境中，會因為熱的問題產生應力，溫度變化劇烈的環境中效應將更為加劇，膠體本身有拉伸斷裂強度和延展率，當拉力超過時，那麼膠體就裂開了。固晶膠的在界面處剝離，散熱急劇變差，晶片產生的熱不能導出，結溫迅速升高，大大加速了光衰的進程。

　　15、銀膠分層

　　銀粉顆粒以懸浮狀態分散在漿料體系中，銀粉和基體之間由於受到密度差 、電荷 、凝聚力 、作用力和分散體系的結構等諸多因素的影響，常出現銀粉沉降分層現象，如果沉降過快會使產品在掛漿時產生流掛 ，塗層厚薄不均勻 ，乃至影響到塗膜的物化性能，分層也會影響器件的散熱、粘接強度和導電性能 。

　　16、銀離子遷移

　　某客戶用矽膠封裝，導電銀膠粘結的垂直倒裝光源出現漏電現象，委託金鑑查找原因。金鑑通過對不良燈珠分析，在晶片側面檢測出異常銀元素，並可觀察到銀顆粒從底部正極銀膠區域以枝晶狀延伸形貌逐漸擴散到晶片上部P－N結側面附近，因此金鑑判定不良燈珠漏電失效極有可能為來自固晶銀膠的銀離子在晶片側面發生離子遷移所造成。銀離子遷移現象是在在產品使用過程中逐漸形成的，隨著遷移現象的加重，最終銀離子會導通晶片P－N結，造成晶片側面存在低電阻通路，導致晶片出現漏電流異常，嚴重情況下甚至造成晶片短路。銀遷移的原因是多方面的，但主要原因是銀基材料受潮，銀膠受潮後，侵入的水分子使銀離子化，並在由下到上垂直方向電場作用下沿晶片側面發生遷移。因此金鑑檢測建議客戶慎用矽膠封裝、銀膠粘結垂直倒裝晶片的燈珠，選用金錫共晶的焊接方式將晶片固定在支架上，並加強燈具防水特性檢測。

　　17、固晶膠不幹

　　LED封裝用有機矽的固化劑含有白金（鉑）絡合物，而這種白金絡合物非常容易中毒，毒化劑是任意一種含氮（N）、磷（P）、硫（S）的化合物，一旦固化劑中毒，則有機矽固化不完全，則會造成線膨脹係數偏高，應力增大。

　　封裝膠

　　

　　18、膠水耐熱性差

　　據我們的檢測表明，純矽膠到400度才開始裂解，但是添加了環氧樹脂的改性矽膠的耐熱性被拉低到環氧樹脂的水平，當這種改性矽膠運用到大功率LED或者高溫環境中，會出現膠體發黃髮黑開裂死燈等現象。

　　19、膠水不幹

　　LED封裝用有機矽的固化劑含有白金（鉑）絡合物，而這種白金絡合物非常容易中毒，毒化劑是任意一種含氮（N）、磷（P）、硫（S）的化合物，一旦固化劑中毒，則有機矽固化不完全，則會造成線膨脹係數偏高，應力增大。

　　易發生矽膠「中毒」的物質有：含N，P，S等有機化合物；Sn，Pb、Hg、Sb、Bi、As等重金屬離子化合物；含有乙炔基等不飽和基的有機化合物。要注意下面這些物料：

　　有機橡膠：硫磺硫化橡膠例如手套

　　環氧樹脂、聚氨酯樹脂：胺類、異氰酸脂類固化劑

　　綜合型有機矽RTV橡膠：特別是使用Sn類觸媒

　　軟質聚氰乙烯：可塑劑、穩定劑

　　焊劑

　　工程塑料：阻燃劑、增強耐熱劑、紫外線吸收劑等

　　鍍銀，鍍金表面（製造時的電鍍液是主要原因）

　　Solder register產生的脫氣（有機矽加熱固化引起）

　　20、封裝膠線膨脹係數過大

　　在燈珠的冷熱衝擊使用環境中，會因為熱的問題產生應力，溫度變化劇烈的環境中效應將更為加劇，膠體本身有拉伸斷裂強度和延展率，當拉力超過時，那麼膠體就裂開了。

　　21、膠水含氯

　　但目前國內環氧樹脂生產企業普遍生產規模小，管理模式和生產工藝落後，操作機械自動化程度不高，導致環氧樹脂的各項參數難以保障。低品質的環氧樹脂的生產與我國現狀產業現狀有關，產業急需升級。

　　環氧樹脂中的氯不僅對支架鍍銀層、合金線或其他活潑金屬及晶片電極（鋁反射層）造成氯化腐蝕，而且也能與胺類固化劑起絡合作用而影響樹脂的固化。氯含量是環氧樹脂的一個重要物性指標，它是指環氧樹脂中所含氯的質量分數，包括有機氯和無機氯。無機氯會影響固化樹脂的電性能。有機氯含量標誌著分子中未起閉環反應的那部分氯醇基團的含量，它含量應儘可能地降低，否則也要影響樹脂的固化及固化物的性能。

　　為了更高效地防電極氯腐蝕現象，降低整個行業的品質風險，金鑑全世界獨家向LED廠商推出「金鑑無氯認證」的檢測服務。「金鑑無氯認證」旨在確認LED膠水和晶片是否含有超標的氯元素，檢測精度達到PPM級。認證報告內容可以在金鑑檢測網站www．gmatg．com查詢。 有了「金鑑無氯認證」服務，LED採購商可以放心採購有「金鑑無氯認證」的原材料，大大降低原材料採購風險。

　　金線

　　

　　22、銅合金、金包銀合金線、銀合金線材代替金線

　　金線具有電導率大、導熱性好、耐腐蝕、韌性好、化學穩定性極好等優點，但金線的價格昂貴，導致封裝成本過高。在元素周期表中，過渡族金屬元素中金、銀、銅和鋁四種金屬元素具有較高的導電性能。很多LED廠商試圖開發諸如銅合金、金包銀合金線、銀合金線材來代替昂貴的金線。雖然這些替代方案在某些特性上優於金線，但是在化學穩定性方面卻差很多，比如銀線和金包銀合金線容易受到硫／氯／溴化腐蝕，銅線容易氧化。在類似於吸水透氣海綿的封裝矽膠來說，這些替代方案使鍵合絲易受到化學腐蝕，光源的可靠性降低，使用時間長了，LED燈珠容易斷線死燈。

　　23、直徑偏差

　　1克金，可以拉制出長度26．37m、直徑50μm（2 mil）的金線，也可以拉制長度105．49m、直徑25μm（1 mil）的金線。如果打金線長度都是固定的，如果來料金線的直徑為原來的一半，那麼對打的金線所測電阻為正常的四分之一。

　　金鑑檢測指出，對於供應商來說，金線直徑越細，成本越低，在售價不變的情況下，利潤越高。而對於使用金線的LED客戶來說，採購直徑上偷工減料的金線，會存在金線電阻升高，熔斷電流降低的風險，會大大降低LED光源的壽命。1．0 mil的金線壽命，必然比1．2 mil的金線要短，但是封裝廠的簡單檢測是測試不出來，在此金鑑可以提供金線直徑的來料檢測。

　　24、表面缺陷

　　（1）絲材表面應無超過線徑5％的刻痕、凹坑、劃傷、裂紋、凸起、打折和其他降低器件使用壽命的缺陷。金線在拉制過程，絲材表面出現的表面缺陷，會導致電流密度加大，使損傷部位易被燒毀，同時抗機械應力的能力降低，造成內引線損傷處斷裂。

　　（2）金線表面應無油汙、鏽蝕、塵埃及其他粘附物，這些會降低金線與LED晶片之間、金線與支架之間的鍵合強度。

　　25、拉斷負荷和延伸率過低

　　能承受樹脂封裝時所產生的衝擊的良好金線必須具有規定的拉斷負荷和延伸率。同時，金線的破斷力和延伸率對引線鍵合的質量起關鍵作用，具有高的破斷率和延伸率的鍵合絲更利於鍵合。太軟的金絲會導致以下不良：（1）拱絲下垂；（2）球形不穩定；（3）球頸部容易收縮；（4）金線易斷裂。太硬的金絲會導致以下不良：（1）將晶片電極或外延打出坑洞；（2）金球頸部斷裂；（3）形成合金困難；（4）拱絲弧線控制困難。

　　結語

　　在列舉這麼多原因之後，我們可以歸納結論，一個LED死燈簡單的表象，可能是幾十種原因殊路同歸導致，過去LED產業遇到問題後大多蒙和猜，不能夠看出問題本質，從根本上解決問題，金鑑這樣專注於LED材料檢測的公司出來後，把很多經驗理論化，通過分工協作來自不同專業的團隊、高精密的檢測設備，集合行業失效案例大數據的基礎上，得出更加精確的結論。