怎么分析照明LED失效？

大家还记得欧普在双十一的佳绩吗？2亿元，我们看到LED已经慢慢在普及了。但虽然普及了，我们在生产使用过程中仍然会出现了很多LED失效，这里我们浅谈一下LED失效模式。

作为通用照明的LED，目前主要由两种：一种可以进行SMT作业的SMD LED；另外一种是集成和阵列式的COB和铜基板模块。当然也还有DOB，不过今天我们暂时不讨论。

一、SMD LED的失效模式

首先我们来看看SMD LED的失效模式。SMD LED种类太多了， 2835、3528、5050、5630、3014、4014等等。支架的塑封从PPA，PCT，一直到现在的EMC等等。不管封装尺寸如何，失效模式都差异不大，我总结了几点。

1．1 失效最严重的就是死灯。

死灯的话应该就分为真死或者假死。

假死情况较常见的就是LED过回流的时候，LED与PCB之间的虚接。这个虚焊比较好发现和解决。通过点测和老化即可发现虚焊的位置，并能通过加热台或者热风枪进行LED修正和替换即可。另外一种假死，是LED内部出现虚接或者金线断裂但是还挨着一起。如下图一所示，就是典型的LED 金线内部的虚接（已经断开，但是还是挨着一起，LED还是可以点亮，但是过一会就因为胶体的应力导致断线头分开死灯）。

▲图一 金线断开失效模式

真死的话，情况就比较多了，但是常见的是金线断裂（就是图一中如断线头不挨着就是真死的一种）。还有一种就是过流导致芯片和金线烧毁，这个目视就非常明显了，如下图二所示。总结起来就真死的几种状况：一种是线路故障问题，可能是邦定不良导致线路失效，也可能内应力（热胀冷缩的力）导致线路失效；一种是超过必要的电流电压问题；还有一种就是静电击穿LED问题（这个失效模式目视效果不明显，芯片PN结被击穿，需要老化一段时间才逐步死亡）。

▲图二 过流导致芯片烧毁的失效模式

那么问题来了，如何规避或减少死灯这么严重的失效呢。

最要紧的是保证线路焊接时的可靠性，这些可靠性导致的不良后果是致命的。首先，得保证机台稳定性，还有焊线模式，有的需要进行尾线压合，或者尾线重新加个尾巴。其次，是保证线材与芯片键和的兼容性。以前我们都是用9999的纯金，现在用的是K金(60%以上的黄金)，或者合金（8%以上的黄金）与CHIP PAD的键和的兼容性和焊接强度需要考虑到。

另外，与胶水的硬度有关系，如果胶水太硬，那么应力（热胀冷缩的力）就会拉断芯片。这种失效模式也是比较常见。为啥？因为硅胶太贵，密封性也不好，更多人倾向使用硬硅胶和环氧树脂类作为灌封胶。所以我们选择封装材料时，一定要考虑到应力与封装的匹配性，不能太硬，适合使用的环境。

比如现在的9V1W的2835作为球泡灯的光源，管脚温度TS很多经常在105-110℃之间。那么对于这么高的温度，我们的封装胶水硬度就必须要小，否则过一段时间会因应力过大拉断金线而死灯。当然，如果是0.06W的LED，环氧树脂应该是又便宜又实用的封装胶水，应力对其影响不是太大。至于静电防护，电子行业几乎所有的电子器件都需要进行经静电防护，比如建立风淋室、导走人体带电荷、空气加湿、设备接地、增加等离子风扇等等。静电防护通用性的措施，我这里就进行赘述了。

1.2 另外一种LED失效模式就是：寿命短，色漂移等主要指标参数出现异常。

我们定义70%的初始光通量为LED寿命终点（这个和死灯定义不一样）。寿命亦可理解为流明的维持率。现在几乎所有的大公司的SMD LED都有LM-80的测试，测试6000H，或者9000H，模拟出寿命在36000H或者54000H。当然，设计是美好的，现实是残酷的。LED在其应用条件与我们做LM-80测试条件有着天壤之别，所以寿命不如预期。

举例：送给客样品100Ma@9V 2835LED。客户装成灯泡老化100H，发现流明的维持率只有90%，与LM-80曲线差异太大（至少98.8%以上的维持率），这就是典型寿命不如预期的失效模式。当然，也有经常伴随着LED内部颜色发黑，CCT蓝移啊（目视LED白光变蓝）。这里我只分析一下这种常见的失效模式。

如果仅仅是LED光通量衰减太厉害，没有其他稍微严重并发症，那么我们推测出LED本身材质劣化。宏观的来看LED出光效率低了，微观的话要么是LED内部光子出不来，要么LED光子少了。光出不来，可能是反射器（支架）效率低了，比如PPA或者PCT黄化，胶水折射率发生变化，金属反射层反射率降低等等。

如此LED光子就会反射不出来，转化为热量，可能会有并发症（其它核心参数CCT等出现变化）。如果是光子少了，应该就是特指LED CHIP光子少了，应该就是芯片劣化了。CHIP自由移动的电子和空穴数量减少了。材质劣化是一个正常现象。但是如果电流过大、LED过热的话会导致封装材质劣化，速度远超过正常劣化的速度，就是我们所说的光通量维持率异常。（寿命异常）

另外一种常见失效色温，显色指数，VF等异常。CCT蓝移，R9变化，VF变化等。这些一般都是LED异常的并发症，当然也有例外。首先说下例外的情况，也就是大家口中所说的温升（冷热态数据对比），这个是一个正常的现象，冷态和热态在参数上面会因为热的影响会出现允许范围内的变化。

要说常见异常的话，就是热稳态以后数据差距太大，比如CCT 、R9或者LM等值出现大波动等。原因就比较简单了，除了过流过热的影响以外，还有材料本身的热稳态不太好。比如红色荧光粉氮化物，本身热稳态就不会太好，会影响CCT、R9等因素。还有一种常见的异常就是化学物质对LED的影响，比如说S（挥发性硫化物）、Br（挥发性卤化物）、o（氧气）与镀银层的化学反应，或者挥发性有机物的影响。

下面我们列举一个典型案例，看看这种卤化（硫化失效模式一样）常见污染失效模式。通过频谱对发黑部位的元素成分进行分析。案例如下图所示：

二、COB的失效模式

上面我们说了SMD LED常见的失效模式。现在我们再来聊一下COB的失效模式。就一般失效模式而言，不管是SMD LED还是COB LED，都大同小异。但是COB的失效模式可能因为其封装形式不一样，失效的花样会更多一点。

2.1 就死灯来说，根本的失效模式和SMD LED中的失效模式一样。但是，因为COB串并数比较多，所以死灯定义不是全部死灯，而是其中一串或者几串死灯，其他几串还是正常亮着，如图三所示。COB死灯也不外乎如下几种情况：一种是线路故障问题，可能是邦定不良导致线路失效；也可能内应力（热胀冷缩的力），COB中更为明显，所以COB都严格控制管脚温度不超过85℃（SMD LED 1W的2835 105℃都可以正常使用）导致线路失效；一种是超过允许的电流电压问题，如下图四所示；另外一种就是静电击穿问题。

▲图三 COB断线死灯模式。只有一串亮着，其他几串死灯

▲图四 COB烧毁死灯模式。芯片表面发黑，胶水碳化。

所以我们如何减少这些失效的可能呢？COB LENS（黄色发光区域）比较脆弱，我们要保护好LENS区域（含白色围坝区域），吸塑盒包装的时候需要加防护层等等。另外，LED的驱动电流非常大，所以对线路需要一个过流保护设计。使用的时候，严格控制一个合理温度也是非常重要的保护措施。具体说温度几何呢？

其实，最主要的还是COB胶体玻璃化的温度（有的是180℃，有的是200℃或者其他温度）会改变胶水硬度，造成内应力（热胀冷缩的力）增大，拉断金线。可能有人会要问，chip的最高结点温度都是125℃，你这180、200的高温从哪里来的？我们要说的是，LED最高的温度点其实是胶体表面的温度，为啥呢？因为光子会在胶体表面泯灭转化为热量。

2.2另外一种LED失效模式就是：寿命短，色漂移等主要指标参数出现异常。芯片、胶水、荧光粉，镀银层都和SMD LED接近，所以这个失效模和SMD LED失效模式类同。我就不浪费大家时间再读一次了。

2.3 这里特别例举出COB其它几种常见的失效模式。

a、胶裂：胶体硬度发生变化产生胶裂，严重的导致金线断裂（死灯）。如下图五所示。

b、助焊剂污染。助焊剂污染区域老化以后发黑，并伴随局部胶裂，严重会导致死灯。如下图六所示。

C、高温导致芯片劣化、胶水碳化以及COB基板阻焊层色变。如下图七所示。

▲图五 COB胶裂

▲图六 COB胶体表面发黑

▲图七 COB高温失效图片

从上面SMD和COB的失效模式来看，都大同小异。可能因为封装形式或者应用领域不同，略有差异。所以我们可以总结如下几条：合理的温度条件能让LED良好运行；稳定的电流能让LED灯具的品质上升一个高度；远离含挥发性S、卤素和挥发性有机物；适当的操作流程和良好操作的习惯（比如COB加个蓝膜，焊接完成以后再撕掉），能减少因操作带来的损失；做好静电防护，防止潜在失效风险。

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