摘 要:本文基于L E D發(fā)光二極管的工作原理、制程，找出了L E D單燈失效的幾種常見(jiàn)原因，
并闡述了在材料、生產(chǎn)過(guò)程、應(yīng)用等環(huán)節(jié)如何預(yù)防和改善的對(duì)策。
關(guān)鍵詞:LED發(fā)光二極管;PN結(jié);熱超聲球鍵合;金絲;銀膠;虛焊
1.引言
愛(ài)迪生發(fā)明了電燈泡，給整 個(gè)人類帶來(lái)了光明。其實(shí)人類對(duì) 于照明新技術(shù)、新科技的追求和 探索從來(lái)就沒(méi)有停止過(guò)。近幾年 來(lái) ， L E D 照 明 技 術(shù) 飛 速 發(fā) 展 ， 流 光 異 彩 的 L E D 照 明 燈 飾 裝 扮 著 高 樓 大 廈 。 廣 泛 利 用 在 戶 外 照 明 燈、交通燈、汽車(chē)燈、液晶屏背 光源等領(lǐng)域，如 2 0 0 8年北京奧運(yùn) 場(chǎng) 館 的 部 分 照 明 設(shè) 施 將 采 用 L E D 產(chǎn) 品 。 二 十 一 世 紀(jì) 將 是 屬 于 L E D 照 明 的 時(shí) 代 ， 因 為 L E D 產(chǎn) 品 比 傳 統(tǒng) 照 明 產(chǎn) 品 具 有 以 下 優(yōu) 點(diǎn) : 一 、 節(jié)能，采用 3 V~5 V電源供電 ;二、 壽 命 長(zhǎng) ， 理 論 上 L E D 產(chǎn) 品 可 使 用 1 0 萬(wàn) 小 時(shí) ; 三 、 環(huán) 保 ， 綠 色 產(chǎn) 品，沒(méi)有傳統(tǒng)照明產(chǎn)品中的有害 物質(zhì)汞元素。
2.LED發(fā)光二極管簡(jiǎn)介
L E D 是 L i g h t E m i t t i n g D i o d e 三 個(gè) 字 母 的 縮 寫(xiě) ， 中 文 簡(jiǎn) 稱 發(fā) 光 二 極 管 ， L E D 芯 片 一 般 由 G a N 、 G a A s 、 G a P 等 化 合 物 組 成 ， 其 核 心 為 P N 結(jié) ， 所 以 具 有 一 般 二 極 體 正 向 導(dǎo) 通 ， 反 向 截 止、擊穿特性，另外還具有發(fā)光特性，在正向電壓下，芯片晶體 內(nèi)部電子從高能量狀態(tài)向低能量 狀態(tài)躍遷，將電能轉(zhuǎn)化為光能。 L E D 單
管 是 構(gòu) 成 五 顏 六 色 L E D 照 明工程組件的重要元件， L E D的 主 要 材 料 有 L E D 芯 片 、 支 架 、 銀 膠、金絲、環(huán)氧樹(shù)脂，如圖 1 所 示：
L E D 單
管 失 效 會(huì) 給 整 個(gè) L E D 照 明 產(chǎn) 品 造 成 很 大 困 擾 ， 因 為 L E D 照 明 產(chǎn) 品 大 多 安 裝 在 戶 外 建 筑物、汽車(chē)上，維修和更換不方 便 ， 所 以 L E D 單 管 的 可 靠 性 顯 得 尤為重要。
3.LED單管失效原因分析
首先我們將鍵合金線中重要 的 五 個(gè) 點(diǎn) 定 義 為 A ~ E 點(diǎn) ， 金 線 第 一 焊 點(diǎn) A 為 球 形 ， 球 徑 約 是 絲 徑 的 3 - 5倍，形變好，絲與球同心 ; 第 一 焊 點(diǎn) 一 般 采 用 熱 超 聲 球 鍵合，熱超聲球鍵合是一種結(jié)合超 聲振動(dòng)、熱和壓力形成焊接金球 的技術(shù)，也是目前半導(dǎo)體封裝行 業(yè)最為流行的鍵合方式。第二焊 點(diǎn) E 形 狀 如 契 形 ， 也 很 像 魚(yú) 尾 ， 契 形 寬 度 約 是 絲 徑 的 3 - 5 倍 ， 如 圖 2所示：
下 面 結(jié) 合 本 人 工 作 中 的 經(jīng) 驗(yàn) ， 討 論 L E D 單 燈 失 效 的 幾 種 原 因和解決方法 :
( 1 ) A 點(diǎn)
接 觸 不 好 , 即 焊 線 金球與芯片電極之間虛焊 , 這種 情 況 下 L E D 燈 也 可 能 表 現(xiàn) 為 不 穩(wěn) 定 、 閃 爍 。 焊 球 整 體 從 芯 片 電 極 脫 離 , 金 球 和 電 極 之 間 沒(méi) 有 真 正融合，電極表面一般沒(méi)有殘留 金 ,如圖 3所示 :
造成虛焊的根本原因?yàn)椋?
① 芯片電極臟污、油污、氧 化 或 者 芯 片 電 極 劃 傷 ， 芯 片 的 保 存 環(huán) 境 顯 得 尤 為 重 要 ， 芯 片一 般 存 放 于 電 子 干 燥 箱 內(nèi) ， 溫 度 : 2 0 - 3 0℃ ;濕度 : 0 % - 4 0 % R H ,這
樣既防止芯片電極氧化，也可避
免外界對(duì)芯片的擦撞，造成芯片
破裂或電極劃傷。
②目前芯片電極可分為 A u電 極和 A l電極， 芯片電極材料的可 焊性不好，也會(huì)造成虛焊或者電 極難焊線。一般 A u電極用來(lái)打金 線 , A l電極用來(lái)打鋁線，因?yàn)橥?種材料之間的融合性比較好。
③金球焊接參數(shù)設(shè)置不佳， 如壓力、功率、時(shí)間不夠大，可 適當(dāng)修改鍵合參數(shù)，并不斷進(jìn)行 小批量生產(chǎn)試驗(yàn)，以獲得最佳的 焊接效果。
( 2 )在金線鍵合過(guò)程中 , 焊線
拱 絲 設(shè) 定 過(guò) 高 或 過(guò) 低 , 或 劈 刀 磨 損過(guò)多 , 劈刀壽命到達(dá)期限 ,送線 夾異常、太大的燒球電流等等， 會(huì)導(dǎo)致 B點(diǎn)受損 , 這樣后續(xù) L E D燈 在苛刻條件下應(yīng)用時(shí)容易失效。 可以通過(guò)循環(huán)濕熱、溫度快速變 化、高溫高濕試驗(yàn) ,使不良現(xiàn)象 得 到 體 現(xiàn) 。 由 于 環(huán) 氧 樹(shù) 脂 、 L E D 芯片、金線等材料的熱膨脹系數(shù) 不 同 ， 在 這 些 苛 刻 的 條 件 下 ， L E D燈內(nèi)部的應(yīng)力變大 ,將 B點(diǎn)拉 斷 . 如圖 4所示。
( 3 ) 金
線 從 D 點(diǎn) 斷 開(kāi) 也 是 經(jīng) 常 出 現(xiàn) 的 問(wèn) 題 ， D 點(diǎn) 斷 開(kāi) 后 ， 在 支 架 上 會(huì) 有 一 些 殘 留 金 。 造 成 D點(diǎn) 斷 開(kāi) 的 原 因 為 : ① 劈 刀 壽 命 到 達(dá) 期 限 ， 磨 損 過(guò) 多 ; 可 以 通 過(guò) 更 換新劈刀。鍵合劈刀使用參考?jí)?命 一 般 為 2 0 0 萬(wàn) 點(diǎn) ; ② 焊 接 時(shí) 自 動(dòng)焊線臺(tái)的焊接參數(shù)設(shè)置不佳， 如焊接時(shí)間、焊接壓力不足。通 過(guò)修改焊接參數(shù)可以使不良得到 改善。另外，第二焊點(diǎn)焊接完成 后，在焊點(diǎn)加包銀膠，通過(guò)銀膠 與支架的黏結(jié)來(lái)保護(hù)焊點(diǎn)，可以 防止金絲從 D、 E點(diǎn)斷開(kāi)。
( 4 ) 銀
膠 與 碗 杯 底 部 的 黏 結(jié) 性 不 好 ， 當(dāng) 溫 度 升 高 時(shí) 環(huán) 氧 / 銀 膠膨脹使芯片與碗底導(dǎo)通，而冷 卻收縮后又與碗底分離而斷開(kāi)， 故 L E D 燈 表 現(xiàn) 為 不 穩(wěn) 定 、 閃 爍 ， 加熱管腳可恢復(fù)正常 . 不良根本 原因有以下幾種：
① 銀膠材質(zhì)不好，注意管控 銀膠來(lái)料品質(zhì) , 如顆粒大小、黏 結(jié)性能。
②注意銀膠的使用和保存條 件，銀膠一般保存在 0∽ 5℃的冰 箱內(nèi)，使用前在室溫 ( 2 5℃左右 ) 下 回 溫 0 . 5 ∽ 1 小
時(shí) ， 回 溫 后 的 銀 膠 在 室 溫 下 使 用 期 限 為 7 天 ， 否則可能會(huì)變質(zhì)，不能再投入使 用。另外，使用前也要注意整瓶 銀 膠 的 生 產(chǎn) 日 期 是 否 已 過(guò) 保 質(zhì) 期。
③嚴(yán)格控制銀膠的燒結(jié)時(shí)間 和 溫 度 ， 燒 結(jié) 溫 度 一 般 為 1 7 0 ± 1 0℃，燒結(jié)時(shí)間為 6 0 - 7 0分種。
( 5 ) 反
向 漏 電 流 I R 值 嚴(yán) 重 超 規(guī) ， 當(dāng) I R 值 在 幾 十 微 安 甚 至 幾 百 微 安 時(shí) ， L E D 仍 然 可 以 發(fā) 光 ， 但是如果芯片 P N結(jié)已經(jīng)損傷，隨 著 L E D使用時(shí)間變長(zhǎng)， I R漏電流將逐漸變大，當(dāng) I
R到達(dá)毫安級(jí)時(shí) L E D將變暗或不亮，
此時(shí) P N結(jié)已
被擊穿 . 可以通過(guò) X J 4 8 1 0半導(dǎo)體
特 性 圖 示 儀 測(cè) 得 L E D 芯 片 的 特 性 曲線，如圖 5所示：
造成漏電的原因 :① E S D靜電
大電流將芯片 P N結(jié)擊穿 ; ②誤操 作 時(shí) 外 界 的 大 電 流 將 L E D 芯 片 燒 毀 ， 如 測(cè) 試 時(shí) 正 向 電 流 / 電 壓 調(diào) 節(jié) 過(guò) 大 ， 正 負(fù) 極 接 反 等 等 ; 在 嚴(yán) 重的情況下，芯片表面可能存在 燒痕或金絲被燒黑 ;③ 對(duì)于雙電 極 芯 片 , 打 線 金 球 過(guò) 大 或 偏 移 , 將芯片 P極和 N極短路 , 將超出分 界線的金球推掉，芯片漏電現(xiàn)象 消 失 ， 各 項(xiàng) 光 電 參 數(shù) 恢 復(fù) 正 常 ; ④ 對(duì)于單電極芯片，如果固晶時(shí) 點(diǎn)銀膠量過(guò)多，將芯片的 N極和 P 極短路，所以要求銀膠高度不超 過(guò)芯片高度的 2 / 3。
4.結(jié)束語(yǔ)
以 上 分 析 了 L E D 單 管 失 效 幾 種常見(jiàn)的原因， 在 L E D生產(chǎn)和使 用過(guò)程中盡量避免不良的發(fā)生， 追查到失效原因后應(yīng)及時(shí)采取相 應(yīng) 對(duì) 策 ， 從 而 提 高 產(chǎn) 品 的 制 程 良 率 ， 降 低 L E D 照 明 組 件 的 返 修 率。