貼片硅膠封裝發(fā)光二極管光強可靠性研究及應用

0   引言

發(fā)光二極管作為電子產(chǎn)品中不可缺少的一個(gè)器件，光強的一致性與亮度是重要指標。因此，隨著(zhù)貼片器件的常規化使用，除了要求在小型化、多元化方面優(yōu)化之外，對于光強可靠性研究也存在重大的意義。

1   貼片發(fā)光二極管光強衰弱原因分析

在空調生產(chǎn)過(guò)程中，對于物料的使用壽命以及持久度是考評整個(gè)產(chǎn)品的一個(gè)維度。而對于發(fā)光二極管，在性能參數方面存在1個(gè)重要的研究——光衰。光衰是對發(fā)光器件評定的1項重要指標，在常規器件性能VF與IR合格的情況下，光衰大小成為了區分產(chǎn)品差異化的1個(gè)閃光點(diǎn)。

造成光衰過(guò)大的原因通常除了生產(chǎn)工藝和發(fā)光芯片本身的發(fā)光強度之外，在通電條件合格的情況下，更多的是器件發(fā)光的外部環(huán)境以及內部環(huán)境的影響。

外部環(huán)境因素：高溫、低溫、外部光強等。

內部環(huán)境因素：晶圓發(fā)光強度極限，晶圓表面污染物，晶圓內部聚光結構，熒光粉的添加，發(fā)光角度等。

2   貼片發(fā)光二極管光衰驗證

在對A廠(chǎng)家某貼片發(fā)光二極管物料進(jìn)行高溫老化試驗時(shí)，實(shí)驗前光強符合技術(shù)圖紙要求（MIN:2.1 cd、MAX：3.0 cd），但是經(jīng)過(guò)300 h/125 ℃高溫試驗之后，光強大比例衰減，衰減百分比（衰減百分比公式：實(shí)驗前-實(shí)驗后/實(shí)驗前×100%）高達30%，通常為滿(mǎn)足售后客戶(hù)使用要求，光衰要求不超過(guò)15%，因此該異常的出現導致器件光強不符合企業(yè)相關(guān)標準要求（圖1）。

圖1 A廠(chǎng)家故障件（下排）和正常品（上排）對比

2.1 A廠(chǎng)家物料材質(zhì)和結構分析

A廠(chǎng)家該款物料為貼片結構，與常規貼片物料不同的是器件樹(shù)脂中部由透明膠狀物質(zhì)進(jìn)行封裝，四周使用的是常規環(huán)氧樹(shù)脂封裝。經(jīng)對其中部成分測試，發(fā)現為硅膠制品。硅膠的使用通常是因為耐高溫性和可塑性較強，因此對于此款物料的高亮度要求比較適合。

通過(guò)在放大鏡下查看器件（如圖2），可以清楚看到器件內部晶圓等內部結構，器件底部焊盤(pán)為鍍銀結構，銀焊盤(pán)上有常規的晶圓與金線(xiàn)，同時(shí)封裝的硅膠中含有黃色熒光粉。銀焊盤(pán)的作用是為了更好地反射光，該款物料為白色光，但是常規晶圓化合物中沒(méi)有直接呈現白色光的元素，因此通過(guò)本體晶圓發(fā)出藍色光（晶圓化合物：InGaN），經(jīng)過(guò)底部銀焊盤(pán)反射藍光與分布的黃色熒光粉進(jìn)行中和調色，使之最終呈現出白光。

圖2 A廠(chǎng)家正常品結構

2.1.1 A廠(chǎng)家物料實(shí)驗后樣品檢查

A廠(chǎng)家實(shí)驗后樣品進(jìn)行外觀(guān)檢查，與正常未安排實(shí)驗物料對比，物理結構無(wú)差異，無(wú)開(kāi)裂、破損、樹(shù)脂變形等異?，F象。外觀(guān)對比情況上查看，器件內部底部銀焊盤(pán)呈現發(fā)黑跡象，而非實(shí)驗前出現的銀色。且器件內部封裝硅膠的熒光粉也全部消失，沉積在底部銀焊盤(pán)上(如圖3)。

2.1.2 A廠(chǎng)家物料實(shí)驗后光衰過(guò)大分析

A廠(chǎng)家物料光衰過(guò)大情況主要體現在以下2點(diǎn)。

1）器件底部起反射作用的銀焊盤(pán)表面被黑色異物覆蓋，導致其反射能力降低；

2）封裝硅膠內部增強光強的黃色熒光粉出現沉積，導致熒光粉作用大大減弱。

2.2 A廠(chǎng)家與B廠(chǎng)家對比試驗

該款物料的B廠(chǎng)家（外部結構、類(lèi)型完全相同）同樣抽取物料進(jìn)行試驗驗證，同步將A、B兩個(gè)廠(chǎng)家物料放置在同一塊板上進(jìn)行驗證，在溫度、環(huán)境、與試驗時(shí)間一致的情況之下進(jìn)行試驗驗證，300 h后，測圖4 A廠(chǎng)家實(shí)驗后樣品底部銀焊盤(pán)異物EDX掃描試A、B廠(chǎng)家器件光強，同樣呈現出30%左右的光衰，驗證結果排除廠(chǎng)家生產(chǎn)制造問(wèn)題。

圖3 A廠(chǎng)家實(shí)驗后樣品

實(shí)驗結束后對A、B廠(chǎng)家物料進(jìn)行放大鏡下查看，2個(gè)廠(chǎng)家均出現光衰過(guò)大情況，因此排除廠(chǎng)家生產(chǎn)制造問(wèn)題。

2.3 對A、B廠(chǎng)家失效器件分析

上訴對器件實(shí)驗后制品進(jìn)行檢測時(shí)，發(fā)現器件內部起反射作用的銀焊盤(pán)表面被黑色物質(zhì)覆蓋，導致器件光強偏弱。

圖4 A廠(chǎng)家實(shí)驗后樣品底部銀焊盤(pán)異物EDX掃描

問(wèn)題一：器件底部起反射作用的銀焊盤(pán)表面被黑色異物覆蓋

取所有失效器件銀焊盤(pán)上的黑色物質(zhì)進(jìn)行EDX成分檢測，發(fā)現其內部元素含有硫元素，使得表面Ag被S元素給S化，形成黑色的Ag2S，導致表面反射率降低。

問(wèn)題二：封裝硅膠內部增強光強的黃色熒光粉出現沉積

未安排實(shí)驗的正常器件，內部硅膠中的熒光粉存在，目的是為了增強光強，但是熒光粉出現沉積導致器件光衰過(guò)大，其主要問(wèn)題點(diǎn)在于熒光粉為何出現的沉積。

硅膠是一種高活性吸附材料，其耐高溫、可塑性很強，因此用于高亮度的發(fā)光二極管中是一種首選材質(zhì)。

強的吸附能力也有屬于它的天敵，通過(guò)對實(shí)驗過(guò)程和實(shí)驗現象的核實(shí)排查，唯一造成硅膠的吸附能力失效的，就是S元素的存在。在高溫條件下，S元素的進(jìn)入密封硅膠中更加的容易，導致硅膠出現中毒現象，使得其吸附活性大大減弱。

對于以上2個(gè)問(wèn)題的確認，可以確定S元素的存在造成了硅膠封裝發(fā)光二極管光衰過(guò)大的結果，但是還需要進(jìn)一步排查驗證。

2.3.1 S元素的排除整改

對于貼片發(fā)光二極管做高溫實(shí)驗，使用膠布將器件粘貼在相應基板上，放入高溫箱中進(jìn)行300 h/125 ℃耐久試驗。在整個(gè)過(guò)程中，S元素的出現主要有以下3個(gè)方面的影響：

1）粘貼器件的膠帶中含有S元素，在高溫烘烤下?lián)]發(fā)出來(lái)進(jìn)入；

2）裝發(fā)光二極管的平板材質(zhì)中含有S元素；

3）高溫實(shí)驗箱中的其它物品和環(huán)境中含有S元素。通過(guò)對膠帶、板進(jìn)行EDX成分測試發(fā)現（如圖5），膠帶的測試成分中含有0.022%的S元素，由于膠帶與器件接觸，因此S元素順應著(zhù)接觸面滲入器件內部，導致器件硅膠中毒且底部銀焊盤(pán)被硫化。

圖5 底部粘貼雙面膠元素定性測試

分析總結：S元素的存在導致器件內部相關(guān)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應產(chǎn)生質(zhì)變和失效，促使硅膠類(lèi)樹(shù)脂封裝貼片二極管在后續的驗證與實(shí)驗中，需要對S元素的存在進(jìn)行相應防范，使得器件的耐久性、耐用性以及客戶(hù)舒適性得到相應提高。

3   改效果評估及應用效果驗證

對于硅膠貼片發(fā)光二極管的整改對器件異常點(diǎn)進(jìn)行專(zhuān)項排除整改，①不使用膠帶對器件進(jìn)行固定；②將器件放置于不銹鋼杯中，避免接觸一切S元素；③將加熱的高溫箱內其它器件清空，并敞開(kāi)放置一定的時(shí)間，讓空氣進(jìn)行置換，再進(jìn)行加熱（如圖6）。

圖6 改善后的實(shí)驗驗證方法

實(shí)驗結果：實(shí)驗結束后測試器件前后光強參數，其光衰率小于15%，符合相關(guān)技術(shù)圖紙要求，驗證有效。

總結：依據實(shí)驗結果表明，器件實(shí)驗前后光強變化不大，衰減度不足10%，小于標準值15%，符合相關(guān)技術(shù)管理規定，驗證有效。

4   貼片硅膠封裝發(fā)光二極管改善意義

本文結合失效現象，對硅膠封裝貼片發(fā)光二極管的使用過(guò)程中的失效原因及失效機理分析，分析結果表明該種類(lèi)貼片發(fā)光二極管在追求了高亮度的同時(shí)，也存在著(zhù)自身的不足之處，通過(guò)一系列的實(shí)驗對比驗證，此種情況僅僅出現在硅膠封裝器件上，對于其它非硅膠封裝廠(chǎng)家編碼實(shí)驗前光強數據試驗后光強數據光衰率的環(huán)氧樹(shù)脂上，不存在此種問(wèn)題。同時(shí)，該項目的成立也變相的衍生到其它硅膠樹(shù)脂封裝同步需要做好對S元素的防范。

通過(guò)對該器件的分析，使得在后續貼片器件完全替代插件類(lèi)發(fā)光二極管的時(shí)候起了不可缺少的作用，從器件的源頭、使用的環(huán)境對器件性能進(jìn)行良好的保障。

參考文獻：

[1] 李明.高亮度LED照明的安全性評價(jià)[D].杭州:浙江大學(xué),2007.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年8月期）