COB封装中LED失效的原因分析

虽然从技术角度LED芯片理论寿命可达100000H，但由于封装、驱动、散热等技术的影响，应用到普通照明类的光源或灯具寿命也只能达到30000H，甚至市场上也存在很多用不到半年就会出问题的产品。如何提高LED照明产品可靠性问题也一直是企业需要解决的问题。 　　LED照明产品失效模式一般可分为：芯片失效、封装失效、电应力失效、热应力失效、装配失效。通过对这些失效现象的分析和改进，可对我们设计和生产高可靠性的LED照明产品提供帮助。 　　本文介绍了基于COB封装技术的LED照明产品失效模式及几种常见原因分析。并阐述了在COB封装、整灯结构设计等应用过程中预防和改善对策。 　　1、基于COB的LED产品特点 　　LED照明产品由三个主要部件组成，即散热结构件、驱动电源和照明部分。照明部分由光源和二次光学配光组件（如透镜、反射镜和扩散板）组成，典型应用模型见图一。做为LED照明产品中的光源部分是核心部件，是实现光电性能的基础器件。而基于COB技术是光源的一种封装形式，其本身不再需要任何自动表面贴装过程，只需要将正负极简单引出焊接即可组装到基体或照明灯具。如图1显示了其在LED照明产品中重要的关键组件。这些组件是，尤其是COB在大多数情况下，均是采用手工组装。这就造成在生产过程中很可能要比在一个自动的过程中产生更多潜在故障。 　　2、COB失效的原因分析 　　如图2所示，基于COB的LED封装技术是将多颗 芯片采用不同的串并结构再用丝焊的方法在芯片和基底 之间建立电气连接，最后使用灌封胶封装而成。此种结 构决定了 COB内部任何单颗芯片的不良，将会导致剩余 　　芯片电流负载增加，继而单颗vf值上升，使驱动电源进入输出过压保护状态，输出异常导致剩余支路闪烁直至死灯。排除芯片本身不良的原因，大部分情况下表现为 芯片间键和不良，常规下我们把键和中单个焊线分为A、B、C、D、E五个关键点，如图3所示。而键和不良本人在实践中遇到了以下几种常见原因。 　　(1)机械应力损伤，一般会出现在B、C、D点不良，且C点居多。 　　常见根本原因有：①如出现为B或D点不良，且居多出现在围坝边缘如图2中中间图片红色圆圈部位。则很有可能是因为结构干涉导致。导致干涉的原因需要从镜面铝中心与芯片布局中心是否偏离和整灯结构是否预留足够的间隙等方面进行进一步探讨和确认。②如出现在C点不良，且居多出现在中间部位，贝帳本原因会是因为封装或组装制造过程防护不当导致。 　　(2)焊接不良，一般会出现在A、B、D、E点不良且拉力测试时力值合格但断裂点会出现在A、B、D、E点处， 例如图4为D点断开状态。 　　这种情况下可以确定为焊接工艺不当或焊接设备不稳定导致，可根据具体的失效项目 如塌线、断线、金球过大、过小等情况调整焊线温度、功率、压力、时间等工艺参数予以解决。 　　(3)封装胶应力损伤，一般会出现在A、B、D、E点不良且不良只会发生在围坝胶和封装胶结合处的周围，在 高倍显微镜下观察胶体结合面处存在间隙的可能。 　　这种不良的根本原因往往是因为两种胶体热膨胀系数的差异，导致应力集中，将焊点拉断导致。 　　3、改善措施 　　通过对以上所介绍的COB主要失效模式的分析，可以从中获悉改善实际使用寿命的技术方法。 　　(1)结构设计 　　好的结构设计既要保证功能的实现，也要做到防错处理。基于COB封装技术的LED本身就是一个易损伤器件，在结构设计中处理二次光学配光组件安装及固定时，需要考虑预留足够的间隙，保证在极限公差情况下和组装过程中误操作也不能够或尽可能减少损伤COB的风险。 　　(2)封装技术 　　封装制程中，我们把焊线拉力测试作为衡量键和合格判定的一个重要的指标。而且在质量控制过程中，往往认为拉力越大产品可靠性越好。实践证明这是一个错误的做法，尤其在COB的焊线工艺中对边缘键和质量的衡量上，太大或过小均会导致不良的产生。具体拉力规范限值需要根据产品特点进行研究和探讨。 　　另一方面，选择合适的封装胶及封胶工艺。尽可能采用热膨胀系数相近的胶，而且需要确定合适的烘干温度和时间以确保凝固速度的一致，防止内部应力的产生。 　　(3)制程防护 　　COB器件由于芯片为阵列排布，发光裸露面大，焊线、芯片耐外力能力差，且封装胶体本身不能起到很好的防护作用。故在制程过程中采用合适的包装、流转载具、取拿工具、固定取拿方式可以杜绝或降低机械损伤。 　　(4)合理筛选 　　虽然筛选不能最终提升产品品质，但可以防止不合格品的流出。为了筛选出COB不良器件，可以采取在一定温度下的老化、测试工作。COB器件可在高温下进行点亮测试，温度不宜高于PN节结温温度。如果采取整灯老化，温度推荐不宜超过宣称最高环境温度，时间可随温度的提高而减少。具体参数需要根据产品特性进行研究和确定。 　　(5)优化可靠性验证方案 　　产品是否能够满足使用要求，需要对其进行充分的验证。考虑到LED产品不管是国际还是国内目前还没有针对LED产品的可靠性试验规范，目前常规做法是参照GB/T 2423、GB/T24825等标准进行高温、低温、湿热交变、开关冲击等可靠性试验。但在实践中我们发现这样的方法不足以发现失效，即已经确定存在可靠性失效的产品也能通过此类试验验证。故我们需要针对产品工作环境及特殊的用途论证制定符合基于COB封装技术LED特性的可靠性试验方案。结合快速变化的市场，调整可靠性试验条件如温度、湿度、安装方式、客户的使用习惯等多种要素来创新选择可靠性验证的方案。实现在尽可能短的时间内推出质量可靠的产品。 　　4、结束语 　　综上所述，尽管成本低、散热性好的基于COB封装技术的LED产品具有很高的理论寿命，但是在实际应用 过程中目前还不能达到所预期的理论值。但是只要能够追查到失效的根本原因，采取措施进行改善并得到有效验证，LED产品的可靠性将会得到不断的提高。