某發(fā)光二極管開路分析及改進

胡啟雯

（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

發(fā)光二極管（LED）是半導體二極管的一種，其使用的壽命是很長的，理論壽命可以達到10萬小時。在實際應用的過程中，由于其材料、設計、使用、工藝等一些方面存在的缺陷，就會導致在使用的早期出現(xiàn)失效的現(xiàn)象[1]。開路失效是常見的失效模式，客戶生產現(xiàn)場插裝黃黃燈和黃綠燈在波峰焊和老化后時有發(fā)生其中開路失效，18年1月至2020年4月，黃黃燈使用139180個，失效92個，失效率661PPM，黃綠燈使用936個，失效42個，失效率44871PPM，嚴重影響了正常生產。

1 失效分析

發(fā)光二極管（如圖1）結構一般為透明樹脂填充的實心器件。插裝發(fā)光二極管一般由支架、芯片、金線、銀膠、環(huán)氧樹脂構成。支架起導電和支撐作用，金線用于鏈接晶片與支架，并使其能夠導通，銀膠用于固定芯片和導電，環(huán)氧樹脂封裝的作用主要是完成電氣互連、保護芯片和輸出可見光。插裝發(fā)光二極管的結構如下圖2，其基本電路圖如下圖3。

圖1 發(fā)光二極管

圖2 插裝發(fā)光二極管結構

圖3 發(fā)光二極管簡單電路圖

從LED 器件結構原理分析, 開路失效是芯片及其到引腳之間電性連接不良所造成的。按照電性能連接路徑，依次為支架、導電膠、芯片、鍵合絲、支架。LED常見的開路失效原因如表1。虛焊是造成開路失效常見的原因，使用不當和芯片、支架等材料缺陷也能造成開路失效，由于發(fā)光二極管為透明樹脂填充的實心器件, 封裝材料應力過大也是造成開路失效的主要原因之一[2]。

表1 LED常見的開路失效原因分析表

經X-ray、解剖分析明確失效原因為下燈的第二焊點開裂。從插裝黃黃燈和黃綠燈結構上分析，下燈的折彎處更靠近LED燈本體，引腳彎曲受到的機械應力更易傳遞到封裝本體，推測第二焊點開路與彎腳過程應力有關。

圖4 下燈第二焊點開路失效

2 解決措施

廠家的裝配順序為“裝上燈、彎上燈引腳、裝下燈、彎下燈引腳、剪引腳”。彎引腳是通過手工壓腳機操作，壓腳應力無法量化，容易造成焊點應力損傷。由于樹脂、芯片、鍵合絲和支架由于材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）不同導致第二焊點受力斷裂，而成品測試為參數(shù)測試，存在隱患的物料往往在過波峰焊或者老化等環(huán)境試驗后才會暴露出來，因此需從源頭避免隱患。為避免彎引腳時沖壓力過大，在壓腳機上增加限位裝置，限制最大下壓量程和彎引腳的沖擊力。

圖5 壓腳機

3 試驗驗證

試驗設計方法（Design of Experiment，DOE）是一種科學的研究方法，通過正交表設計進行一系列試驗，用來分析研究多因素之間的相互作用，從而確定各種影響因素下的最佳方案[3]。為驗證壓腳機增加限位裝置是否有效，有必要對工藝改進前后的LED進行對比試驗驗證。首先明確試驗因子，彎引腳是工藝改進項，環(huán)氧樹脂為非密封材料，受濕氣影響，因此試驗因子取“彎引腳”和“濕氣”，其次，每個試驗因子取2個水平，彎引腳分為不加限位裝置（改進前）和加限位裝置（改進后），濕氣分為無濕氣和有濕氣，最后列出全因子試驗設計表，見表2。

樣本取黃綠燈，按照侵濕氣（40°C，90%，24h）、波峰焊（245℃±5℃，雙波峰，焊接時間＜5s），電性能測試（點燈），溫度老化（-20℃-70℃，一個循環(huán)2h，試驗時間96h），電性能測試（點燈）的順序進行[4]。

驗證試驗結果如表2，第1組樣本沒有失效，第2組樣本有2個下燈失效，說明不加限位裝置的黃綠燈在濕氣的影響下更容易失效。第3組、第4組樣本未發(fā)生失效，說明加限位裝置的黃綠燈確有效果。對失效的2個LED進行分析，同樣是第二焊點開裂，復現(xiàn)了失效現(xiàn)象[5-6]。試驗結果說明黃綠燈開路（第二焊點開裂）與彎引腳時受力有關，控制彎引腳的作用力可以一定程度上避免類似失效。

表2 全因子試驗設計表

4 預防措施

引腳折彎的插裝發(fā)光二極管在引腳折彎階段可能存在潛在缺陷，應避免在生產、運輸、組裝等環(huán)節(jié)引腳受力。在供應商的出廠環(huán)節(jié)可考慮增加回流焊后性能測試，以避免缺陷物料流出到客戶端，客戶對產品開展溫度老化篩選，也能剔除早期缺陷。從物料應用的可靠性角度，插裝發(fā)光二極管由于其結構和材料特性，引腳折彎是薄弱點，建議選用表貼發(fā)光二極管配合直立導光柱或者轉90度導光柱的方式。

5 結語

本文主要介紹了插裝發(fā)光二極管結構，并分析了其開路原因，給出1例發(fā)光二極管開路失效案例，找到失效根因，提出了一些切實有效的解決措施，并通過基于DOE的思想設計了試驗，驗證了工藝改進有效性，最后給出插裝二極管的應用建議，希望能為相關人士提供借鑒。