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失效分析
失效分析

LED失效分析重要手段——光热分布检测发布时间:2020-09-10 11:50:30



      LED无非处理两个问题——光和热,因此熟悉LED产品的光热分布情况对分析其质量性能至关重要!但由于国内缺少相关的检测设备及表征方法的研究,使得人们在LED光热分布方面了解太少,现在光热分布不均已是影响国内光电产品可靠性的一大要素。光热分布检测除了用于表征器材的光热分布性能,也是失效分析中不可或缺的测试手段,通常应用于LED芯片、灯珠、灯具、电源以及功率器材等各个领域。金鉴实验室根据行业检测需求,自主研发了金鉴显微光热分布测试系统,全面应用于LED失效分析,且逐步向半导体功率器材领域扩展。

LED失效分析设备

显微红外热分布测试系统(点击图片文字查看设备)



显微光分布测试系统(点击图片文字查看设备)


LED失效分析测试案例


案例一:不同环境温度下热分布测试


      金鉴显微热分布测试系统配备高精度控温体系,可实现器件在不同温度下的热分布测试。本案例模拟灯具芯片在不同环境温度下的结温及热分布状态,测试结果表明,控制环境温度达到80℃时,芯片结温122℃,继续升高环境温度可能导致芯片发光效率低下甚至芯片受损。


案例二:不同厂家芯片光热分布差异


      看以下案例中A款芯片的光热发布均匀度,强烈建议LED芯片规格书里添加不同使用温度下的光热分布数据!做好光热分布来料检验,可以使LED质量更可靠。


案例三:多芯片封装,电流密度均匀性需把控


      某款灯珠采用两颗芯片并联的方式封装,金鉴显微光分布测试系统测得B芯片发光强度较A芯片的大,显微热分布测试系统测得B芯片表面温度高于A芯片。分析其原因,LED芯片较小的电压波动都会产生较大的电流变化,该灯珠两颗芯片采用并联方式工作,两颗芯片两端的电压一样,芯片电阻之间的差异会造成流过两颗芯片的电流存在较大差异,从而出现一个灯珠内两颗芯片亮度不一的现象,影响灯珠性能。


案例四:倒装芯片光热分布分析


      LED失效分析案例中,CSP灯珠出现胶裂异常,金鉴显微热分布测试分析显示,芯片负极焊盘区域温度比正极焊盘区域温度高约15℃。因此,推断该芯片电流密度均匀性较差,导致正负极焊盘位置光热分布差异较大,局部热膨胀差异过大从而引起芯片上方封装胶开裂异常。


案例五:LED灯珠热分布分析


      某客户的声控灯具在使用一定时间后出现胶体开裂和断线死灯失效,对该款灯珠进行热分布测试发现,以灯珠河道为界线,灯珠正负极焊盘存在较大温差,负极焊盘温度明显高于正极焊盘温度,造成PCB基板和灯珠以河道为界线出现热膨胀不一致,灯珠河道区域应力集中,从而导致河道区域的封装胶出现开裂现象。同时灯具PCB基板导热性较差,导致灯珠热量囤积,灯珠结温偏高(125.5℃),处于热影响区的键合线在长期频繁开关引起的应力应变作用下出现疲劳开裂直至烧毁开路。此案例中,温度和热分布测试结果能直观的反应灯珠失效点。


案例六:LED灯具热分布测试


      日常使用的灯具过热容易引起电子器件故障,缩短产品使用寿命,严重甚至造成安全隐患,检测LED灯具发热均匀情况能帮助设计产品,合理布置发热部件,有效防止过热。

LED灯具热分布


案例七:定位电源失效区域


      电源失效案例中,金鉴使用红外热分布测试系统对电源进行测试,发现电源结构中的R5电阻在使用时发热严重,温度高达90℃。厂家建议碳膜电阻在满载功率时最合适的工作温度在70℃以下,而该电源中R5碳膜电阻在90℃温度下满载工作,长期使用过程中导致R5电阻失效。

电源热分布图及热点定位


案例八:芯片电极设计对光分布的影响

       对某LED芯片电极图案进行评估,如下图所示,芯片的发光不均匀,区域1的亮度明显过高;相反地,区域2的LED量子阱却未被充分激活,降低了芯片的发光效率。对此,金鉴建议,可以适当增加区域1及其对称位置的电极间距离或减小电极厚度来降低区域1亮度,也可以减少区域2金手指间距离或增加正中间正极金手指的厚度来增加区域2亮度,以达到使芯片整体发光更加均匀的目的。


LED芯片发光效果图


案例九:芯片金道设计对光分布的影响

      下图中芯片左边为两个负电极,右边为两个正电极,其中,区域1、2亮度较低,电流扩展性不够,需提高其电流密度,建议延长最近的正电极金手指以提升发光均匀度。区域3金手指位置的亮度稍微超出平均亮度,可减少金手指厚度来改善电流密度,或者改善金手指的MESA边缘聚积现象,另外,也可以增加区域3外的金手指厚度,使区域3外金手指附近的电流密度增加,提升区域3外各金手指的电流密度,以上建议可作为发光均匀度方面的改善,以达到使芯片整体发光更加均匀的目的。在达到或超过了芯片整体发光均匀度要求的前提下,可考虑减小金手指厚度来减少非金属电极的遮光面积,以提升亮度。甚至,可以为了更高的光效牺牲一定的金手指长度和宽度。


LED芯片发光效果图

案例十:光分布3D模块测试评估芯片光提取效率

       金鉴显微光分布3D测试模块可以观察芯片各区域的出光强度,填补芯片的光提取效率测试空白。下图垂直结构芯片采用了多刀隐切工艺,芯片侧面非常粗糙,粗糙界面可以反射芯片侧面出射的光,提高芯片的光提取效率。从该芯片的3D光分布图中可以直观的看到,该芯片边缘出光较多,说明多刀隐切工艺对芯片出光效率的提升显著。



案例十一:显微光分布测试帮助定位最高效率的电流电压

       金鉴显微光热分布系统,可帮助客户避免过度超电流,准确定位最高效率下的电流电压!如下案例中,芯片额定电流为60mA,超额定电流90mA下点亮时,芯片温度大大提高,亮度反而出现衰减。过度的超电流,LED芯片产热严重,光产出并不会增加,甚至出现光衰。



案例十二:显微光分布测试系统应用于LED芯片失效分析

       失效的LED芯片必然在光热分布上漏出蛛丝马迹!某灯珠厂家把芯片封装成灯珠后,老化出现电压升高的现象。金鉴通过显微光分布测试系统发现芯片主要在正极附近区域发光。因此,定位芯片正极做氩离子截面抛光,发现正极底部SiO2层边缘倾角过大,ITO层在台阶位置出现断裂、虚接现象,ITO层电阻过大,电流扩散受阻,出现电压升高异常现象。



案例十三:倒装芯片光热分布分析

      失效分析案例中,CSP灯珠出现胶裂异常,使用热分布测试系统对芯片进行测试,由于红外测温是通过物体表面的红外热辐射测量温度,对于倒装芯片表面的蓝宝石也不能穿透,故无法对芯片内部电极等结构进行进一步的分析。此时,使用金鉴显微光分布测试系统可以清晰地观察到芯片电极图案,从光分布图可以看出,芯片负电极位置发光较强,因此推断负电极位置电流密度较大,导致此处发热量也较大,从而局部热膨胀差异过大引起芯片上方封装胶开裂异常。




案例十四:多芯片封装的光分布监测

       金鉴显微光分布系统,能高效精准分析灯珠内各芯片电流密度,是品质把控的好帮手!例如某灯珠采用两颗芯片并联的方式封装,该灯珠点亮时,金鉴显微光分布测试系统测得B芯片发光强度较A芯片的大,显微热分布测试系统测得B芯片表面温度高于A芯片。分析其原因,LED芯片较小的电压波动都会产生较大的电流变化,该灯珠两颗芯片采用并联方式工作,两颗芯片两端的电压一样,芯片电阻之间的差异会造成流过两颗芯片的电流存在较大差异,从而出现一个灯珠内两颗芯片亮度不一的现象,影响灯珠性能。



光学图                                             光分布图                                            热分布图

案例十五:COB光源发光均匀度测试

       对于LED光源,特别是白光光源,由于电极设计、芯片结构以及荧光粉涂敷方式等影响,其表面的亮度和颜色并不是均匀分布的。如图所示,COB右半边灯珠亮度明显比左半边低,由标尺计算出,右半边亮度为左半边的三分之二,导致这一失效原因也许是COB的PCB板材左右边铜箔电阻不一致,导致灯珠左右两边的芯片所加载的电压不一致,造成两边芯片的发光强度出现差异。




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