COB封裝中LED失效的原因分析

   COB封裝中LED失效的原因分析

雖然從技術角度LED芯片理論壽命可達100000H,但由于封裝、驅動、散熱等技術的影響,應用到普通照明類的光源或燈具壽命也只能達到30000H,甚至市場上也存在很多用不到半年就會出問題的產品。如何提高LED照明產品可靠性問題也一直是企業需要解決的問題。
LED照明產品失效模式一般可分為:芯片失效、封裝失效、電應力失效、熱應力失效、裝配失效。通過對這些失效現象的分析和改進,可對我們設計和生產高可靠性的LED照明產品提供幫助。

1、基于COB的LED產品特點

LED照明產品由三個主要部件組成,即散熱結構件、驅動電源和照明部分。照明部分由光源和二次光學配光組件(如透鏡、反射鏡和擴散板)組成,典型應用模型見圖一。做為LED照明產品中的光源部分是核心部件,是實現光電性能的基礎器件。而基于COB技術是光源的一種封裝形式,其本身不再需要任何自動表面貼裝過程,只需要將正負極簡單引出焊接即可組裝到基體或照明燈具。如圖1顯示了其在LED照明產品中重要的關鍵組件。這些組件是,尤其是COB在大多數情況下,均是采用手工組裝。這就造成在生產過程中很可能要比在一個自動的過程中產生更多潛在故障。

2、COB失效的原因分析

基于COB的LED封裝技術是將多顆 芯片采用不同的串并結構再用絲焊的方法在芯片和基底 之間建立電氣連接,最后使用灌封膠封裝而成。此種結 構決定了 COB內部任何單顆芯片的不良,將會導致剩余芯片電流負載增加,繼而單顆vf值上升,使驅動電源進入輸出過壓保護狀態,輸出異常導致剩余支路閃爍直至死燈。排除芯片本身不良的原因,大部分情況下表現為 芯片間鍵和不良,常規下我們把鍵和中單個焊線分為A、B、C、D、E五個關鍵點。而鍵和不良本人在實踐中遇到了以下幾種常見原因。


(1)機械應力損傷,一般會出現在B、C、D點不良,且C點居多。常見根本原因有:①如出現為B或D點不良,且居多出現在圍壩邊緣中間圖片紅色圓圈部位。則很有可能是因為結構干涉導致。導致干涉的原因需要從鏡面鋁中心與芯片布局中心是否偏離和整燈結構是否預留足夠的間隙等方面進行進一步探討和確認。②如出現在C點不良,且居多出現在中間部位,貝帳本原因會是因為封裝或組裝制造過程防護不當導致。


(2)焊接不良,一般會出現在A、B、D、E點不良且拉力測試時力值合格但斷裂點會出現在A、B、D、E點處, 為D點斷開狀態。
這種情況下可以確定為焊接工藝不當或焊接設備不穩定導致,可根據具體的失效項目 如塌線、斷線、金球過大、過小等情況調整焊線溫度、功率、壓力、時間等工藝參數予以解決。


(3)封裝膠應力損傷,一般會出現在A、B、D、E點不良且不良只會發生在圍壩膠和封裝膠結合處的周圍,在 高倍顯微鏡下觀察膠體結合面處存在間隙的可能。

 

這種不良的根本原因往往是因為兩種膠體熱膨脹系數的差異,導致應力集中,將焊點拉斷導致。

3、改善措施
通過對以上所介紹的COB主要失效模式的分析,可以從中獲悉改善實際使用壽命的技術方法。


(1)結構設計
好的結構設計既要保證功能的實現,也要做到防錯處理?;贑OB封裝技術的LED本身就是一個易損傷器件,在結構設計中處理二次光學配光組件安裝及固定時,需要考慮預留足夠的間隙,保證在極限公差情況下和組裝過程中誤操作也不能夠或盡可能減少損傷COB的風險。


(2)封裝技術
封裝制程中,我們把焊線拉力測試作為衡量鍵和合格判定的一個重要的指標。而且在質量控制過程中,往往認為拉力越大產品可靠性越好。實踐證明這是一個錯誤的做法,尤其在COB的焊線工藝中對邊緣鍵和質量的衡量上,太大或過小均會導致不良的產生。具體拉力規范限值需要根據產品特點進行研究和探討。
另一方面,選擇合適的封裝膠及封膠工藝。盡可能采用熱膨脹系數相近的膠,而且需要確定合適的烘干溫度和時間以確保凝固速度的一致,防止內部應力的產生。


(3)制程防護
COB器件由于芯片為陣列排布,發光裸露面大,焊線、芯片耐外力能力差,且封裝膠體本身不能起到很好的防護作用。故在制程過程中采用合適的包裝、流轉載具、取拿工具、固定取拿方式可以杜絕或降低機械損傷。


(4)合理篩選
雖然篩選不能最終提升產品品質,但可以防止不合格品的流出。為了篩選出COB不良器件,可以采取在一定溫度下的老化、測試工作。COB器件可在高溫下進行點亮測試,溫度不宜高于PN節結溫溫度。如果采取整燈老化,溫度推薦不宜超過宣稱最高環境溫度,時間可隨溫度的提高而減少。具體參數需要根據產品特性進行研究和確定。


(5)優化可靠性驗證方案
產品是否能夠滿足使用要求,需要對其進行充分的驗證??紤]到LED產品不管是國際還是國內目前還沒有針對LED產品的可靠性試驗規范,目前常規做法是參照GB/T 2423、GB/T24825等標準進行高溫、低溫、濕熱交變、開關沖擊等可靠性試驗。但在實踐中我們發現這樣的方法不足以發現失效,即已經確定存在可靠性失效的產品也能通過此類試驗驗證。故我們需要針對產品工作環境及特殊的用途論證制定符合基于COB封裝技術LED特性的可靠性試驗方案。結合快速變化的市場,調整可靠性試驗條件如溫度、濕度、安裝方式、客戶的使用習慣等多種要素來創新選擇可靠性驗證的方案。實現在盡可能短的時間內推出質量可靠的產品。

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