摘 要:本文基于L E D发光二极管的工作原理、制程，找出了L E D单灯失效的几种常见原因， 并阐述了在材料、生产过程、应用等环节如何预防和改善的对策。

关键词:LED发光二极管;PN结;热超声球键合;金丝;银胶;虚焊

1.引言

爱迪生发明了电灯泡，给整 个人类带来了光明。其实人类对 于照明新技术、新科技的追求和 探索从来就没有停止过。近几年 来 ， L E D 照 明 技 术 飞 速 发 展 ， 流 光 异 彩 的 L E D 照 明 灯 饰 装 扮 着 高 楼 大 厦 。 广 泛 利 用 在 户 外 照 明 灯、交通灯、汽车灯、液晶屏背 光源等领域，如 2 0 0 8年北京奥运 场 馆 的 部 分 照 明 设 施 将 采 用 L E D 产 品 。 二 十 一 世 纪 将 是 属 于 L E D 照 明 的 时 代 ， 因 为 L E D 产 品 比 传 统 照 明 产 品 具 有 以 下 优 点 : 一 、 节能，采用 3 V~5 V电源供电 ;二、 寿 命 长 ， 理 论 上 L E D 产 品 可 使 用 1 0 万 小 时 ; 三 、 环 保 ， 绿 色 产 品，没有传统照明产品中的有害 物质汞元素。

2.LED发光二极管简介

L E D 是 L i g h t E m i t t i n g D i o d e 三 个 字 母 的 缩 写 ， 中 文 简 称 发 光 二 极 管 ， L E D 芯 片 一 般 由 G a N 、 G a A s 、 G a P 等 化 合 物 组 成 ， 其 核 心 为 P N 结 ， 所 以 具 有 一 般 二 极 体 正 向 导 通 ， 反 向 截 止、击穿特性，另外还具有发光特性，在正向电压下，芯片晶体 内部电子从高能量状态向低能量 状态跃迁，将电能转化为光能。 L E D 单 管 是 构 成 五 颜 六 色 L E D 照 明工程组件的重要元件， L E D的 主 要 材 料 有 L E D 芯 片 、 支 架 、 银 胶、金丝、环氧树脂，如图 1 所 示：

L E D 单 管 失 效 会 给 整 个 L E D 照 明 产 品 造 成 很 大 困 扰 ， 因 为 L E D 照 明 产 品 大 多 安 装 在 户 外 建 筑物、汽车上，维修和更换不方 便 ， 所 以 L E D 单 管 的 可 靠 性 显 得 尤为重要。

3.LED单管失效原因分析

首先我们将键合金线中重要 的 五 个 点 定 义 为 A ~ E 点 ， 金 线 第 一 焊 点 A 为 球 形 ， 球 径 约 是 丝 径 的 3 - 5倍，形变好，丝与球同心 ; 第 一 焊 点 一 般 采 用 热 超 声 球 键合，热超声球键合是一种结合超 声振动、热和压力形成焊接金球 的技术，也是目前半导体封装行 业最为流行的键合方式。第二焊 点 E 形 状 如 契 形 ， 也 很 像 鱼 尾 ， 契 形 宽 度 约 是 丝 径 的 3 - 5 倍 ， 如 图 2所示：

下 面 结 合 本 人 工 作 中 的 经 验 ， 讨 论 L E D 单 灯 失 效 的 几 种 原 因和解决方法 :

( 1 ) A 点 接 触 不 好 , 即 焊 线 金球与芯片电极之间虚焊 , 这种 情 况 下 L E D 灯 也 可 能 表 现 为 不 稳 定 、 闪 烁 。 焊 球 整 体 从 芯 片 电 极 脱 离 , 金 球 和 电 极 之 间 没 有 真 正融合，电极表面一般没有残留 金 ,如图 3所示 :

造成虚焊的根本原因为：

①
芯片电极脏污、油污、氧 化 或 者 芯 片 电 极 划 伤 ， 芯 片 的 保 存 环 境 显 得 尤 为 重 要 ， 芯 片一 般 存 放 于 电 子 干 燥 箱 内 ， 温 度 : 2 0 - 3 0℃ ;湿度 : 0 % - 4 0 % R H ,这 样既防止芯片电极氧化，也可避 免外界对芯片的擦撞，造成芯片 破裂或电极划伤。

②目前芯片电极可分为 A u电 极和 A l电极， 芯片电极材料的可 焊性不好，也会造成虚焊或者电 极难焊线。一般 A u电极用来打金 线 , A l电极用来打铝线，因为同 种材料之间的融合性比较好。

③金球焊接参数设置不佳， 如压力、功率、时间不够大，可 适当修改键合参数，并不断进行 小批量生产试验，以获得最佳的 焊接效果。

( 2 )在金线键合过程中 , 焊线 拱 丝 设 定 过 高 或 过 低 , 或 劈 刀 磨 损过多 , 劈刀寿命到达期限 ,送线 夹异常、太大的烧球电流等等， 会导致 B点受损 , 这样后续 L E D灯 在苛刻条件下应用时容易失效。 可以通过循环湿热、温度快速变 化、高温高湿试验 ,使不良现象 得 到 体 现 。 由 于 环 氧 树 脂 、 L E D 芯片、金线等材料的热膨胀系数 不 同 ， 在 这 些 苛 刻 的 条 件 下 ， L E D灯内部的应力变大 ,将 B点拉 断 . 如图 4所示。

( 3 ) 金 线 从 D 点 断 开 也 是 经 常 出 现 的 问 题 ， D 点 断 开 后 ， 在 支 架 上 会 有 一 些 残 留 金 。 造 成 D点 断 开 的 原 因 为 : ① 劈 刀 寿 命 到 达 期 限 ， 磨 损 过 多 ; 可 以 通 过 更 换新劈刀。键合劈刀使用参考寿 命 一 般 为 2 0 0 万 点 ; ② 焊 接 时 自 动焊线台的焊接参数设置不佳， 如焊接时间、焊接压力不足。通 过修改焊接参数可以使不良得到 改善。另外，第二焊点焊接完成 后，在焊点加包银胶，通过银胶 与支架的黏结来保护焊点，可以 防止金丝从 D、 E点断开。

( 4 ) 银 胶 与 碗 杯 底 部 的 黏 结 性 不 好 ， 当 温 度 升 高 时 环 氧 / 银 胶膨胀使芯片与碗底导通，而冷 却收缩后又与碗底分离而断开， 故 L E D 灯 表 现 为 不 稳 定 、 闪 烁 ， 加热管脚可恢复正常 . 不良根本 原因有以下几种：

①
银胶材质不好，注意管控 银胶来料品质 , 如颗粒大小、黏 结性能。

②注意银胶的使用和保存条 件，银胶一般保存在 0∽ 5℃的冰 箱内，使用前在室温 ( 2 5℃左右 ) 下 回 温 0 . 5 ∽ 1 小 时 ， 回 温 后 的 银 胶 在 室 温 下 使 用 期 限 为 7 天 ， 否则可能会变质，不能再投入使 用。另外，使用前也要注意整瓶 银 胶 的 生 产 日 期 是 否 已 过 保 质 期。

③严格控制银胶的烧结时间 和 温 度 ， 烧 结 温 度 一 般 为 1 7 0 ± 1 0℃，烧结时间为 6 0 - 7 0分种。

( 5 ) 反 向 漏 电 流 I R 值 严 重 超 规 ， 当 I R 值 在 几 十 微 安 甚 至 几 百 微 安 时 ， L E D 仍 然 可 以 发 光 ， 但是如果芯片 P N结已经损伤，随 着 L E D使用时间变长， I R漏电流将逐渐变大，当 I R到达毫安级时 L E D将变暗或不亮， 此时 P N结已 被击穿 . 可以通过 X J 4 8 1 0半导体 特 性 图 示 仪 测 得 L E D 芯 片 的 特 性 曲线，如图 5所示：

造成漏电的原因 :① E S D静电 大电流将芯片 P N结击穿 ; ②误操 作 时 外 界 的 大 电 流 将 L E D 芯 片 烧 毁 ， 如 测 试 时 正 向 电 流 / 电 压 调 节 过 大 ， 正 负 极 接 反 等 等 ; 在 严 重的情况下，芯片表面可能存在 烧痕或金丝被烧黑 ;③ 对于双电 极 芯 片 , 打 线 金 球 过 大 或 偏 移 , 将芯片 P极和 N极短路 , 将超出分 界线的金球推掉，芯片漏电现象 消 失 ， 各 项 光 电 参 数 恢 复 正 常 ; ④ 对于单电极芯片，如果固晶时 点银胶量过多，将芯片的 N极和 P 极短路，所以要求银胶高度不超 过芯片高度的 2 / 3。

4.结束语

以 上 分 析 了 L E D 单 管 失 效 几 种常见的原因， 在 L E D生产和使 用过程中尽量避免不良的发生， 追查到失效原因后应及时采取相 应 对 策 ， 从 而 提 高 产 品 的 制 程 良 率 ， 降 低 L E D 照 明 组 件 的 返 修 率。