板上驅(qū)動封裝LED 的電源IC 失效分析*

梁為慶，梁勝華，鄔晶，周升威，黃家輝，林凱旋，邱岳，潘海龍，方方

（廣東金鑒實驗室科技有限公司失效分析部，廣州 511300）

1 引言

隨著LED 的發(fā)展越來越成熟，人們對LED 提出了更高的要求，色溫可調(diào)、智能化、高度集成、結(jié)構(gòu)緊湊和接近自然光色（全光譜）成為其發(fā)展的重要方向[1]。近年來，板上芯片（COB）封裝光源[2-3]、板上驅(qū)動（DOB）封裝光源也因此得到了長足的發(fā)展[4]，在LED照明中占據(jù)了舉足輕重的地位。

DOB 光源俗稱“去”電源化光源，因此也叫Driverless，其主要特點是把驅(qū)動電源與光源芯片集成在一塊基板上，去掉傳統(tǒng)的外接電源，直接用交流電（市電）點亮光源。它是高度集成、結(jié)構(gòu)緊湊的新型光源的典型代表，然而隨著集成度的增加，其可靠性問題變得比較突出。

失效分析是指在產(chǎn)品發(fā)生失效異常后，通過一定的方法和測試手段，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料和工藝制程等進行系統(tǒng)的研究與分析，最終探討其失效機理，從而給產(chǎn)品提出改善、提升和預(yù)防方案的整個流程。LED失效分析已經(jīng)成為提升其可靠性、提高生產(chǎn)良率的重要手段。因此，LED 失效分析也成為了學(xué)界備受關(guān)注的研究方向[5-8]。然而，對LED 光源的失效分析往往集中在LED 芯片與封裝方面，對DOB 封裝LED 光源的電源IC 的失效分析以及對外接驅(qū)動電源IC 的失效分析報道較少[9-11]。

本文結(jié)合基礎(chǔ)電性測試、X 射線測試、示波器測試、掃描電子顯微鏡（SEM）測試、物理開封、聚焦離子束顯微鏡（FIB-SEM）測試和能譜儀（EDS）測試等表征手段，分析發(fā)現(xiàn)某型號DOB 封裝LED 光源亮度下降的原因是異常元素Fe 的殘留與污染造成電源IC 芯片蝕刻異常，含F(xiàn)e 元素異物鑲嵌在芯片內(nèi)部，導(dǎo)致芯片內(nèi)部蝕刻線路異常，造成內(nèi)部功能單元失效，最終使得集成電路功能偏離設(shè)計，局部或全部失效。

2 失效分析方法與結(jié)果

2.1 失效確認

在對某型號失效的DOB 封裝LED 光源進行點亮測試時，發(fā)現(xiàn)其亮度比同批次的光源低，進一步測試分析其亮度下降的原因。點亮該亮度異常的DOB 封裝LED 光源，測試其輸入電壓、輸入功率和輸入電流，結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知，樣品的輸入功率為0.5 W，輸入電流為2.366 mA，遠低于規(guī)格書標注的典型值（輸入功率為0.8～1.2 W、輸入電流為7 mA），因此初步判斷此DOB 封裝LED 光源亮度下降的原因是輸入電流過低，導(dǎo)致功率過低，從而影響LED 光源亮度。

圖1 失效樣品的電性測試結(jié)果

2.2 X 射線測試分析

取1 只不良LED 光源進行X 射線測試，對其結(jié)構(gòu)和引線進行確認，未發(fā)現(xiàn)LED 光源內(nèi)部存在斷線異常，X 射線測試結(jié)果如圖2（a）所示。該光源由30 個串聯(lián)的LED 燈珠（負載）、4 個整流二極管組成的全橋整流（電源）以及1 個恒流IC 構(gòu)成。圖2（b）為該光源的電路結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2 不良LED 光源的X 射線測試結(jié)果與電路結(jié)構(gòu)原理圖

2.3 負載與電源的電性測試分析

2.3.1 負載與整流橋的電性分析

對不良光源與正常光源進行化學(xué)開封，使用高壓直流電直接點亮LED 串（負載），將電流設(shè)置為1～10 mA，間隔為1 mA，測試30 個LED 燈珠串聯(lián)時的總電壓，均未發(fā)現(xiàn)明顯異常。此外，對不良光源和正常光源的LED 串驅(qū)動電壓進行對比，也未發(fā)現(xiàn)異常，因此可以推斷光源亮度下降不是由LED 負載引起的。

該LED 光源通過4 只二極管芯片組合成全橋整流，對比不良光源和正常光源的整流橋輸出電壓波形，整流橋的輸出電壓波形和電壓均無異常，因此可排除整流橋異常使得功率偏低、導(dǎo)致光源亮度下降的可能性。

2.3.2 恒流IC 電性分析

取1 只不良光源，在其LED 串的兩端并聯(lián)LED串（由30 個LED 燈珠串聯(lián)而成），以減少原負載的電壓。示波器檢測到恒流IC 會提高電壓來起到恒流作用，圖3（a）（b）分別為并聯(lián)LED 串前后的不良光源IC波形圖，證明該IC 起到了恒流調(diào)節(jié)作用。撤去并聯(lián)的LED 串，使用示波器對不良光源的輸入電信號進行測試，圖3（c）為其測試結(jié)果。當輸入電壓為230 V、輸入功率為0.5 W 時，不良光源的電流波形峰值為6.4 mA，低于7 mA。將輸入電壓提高為250 V，輸入功率設(shè)置為0.6 W，未達到0.8～1.2 W，此時不良光源的電流波形峰值為6.4 mA，電流波形峰值沒有發(fā)生變化。結(jié)合2.3.1 節(jié)的分析，電路中的負載、整流橋均正常工作，對測試結(jié)果不存在干擾，可推斷該不良光源的恒流IC 存在異常。

圖3 使用示波器對光源恒流IC 進行測試的結(jié)果

2.4 物理開封與SEM 測試分析

隨機選取1 只不良光源，用物理開封的方法挑開失效IC 的封裝膠，在SEM 下可觀察到IC 表面紋理異常。失效IC 的表面形貌如圖4 所示。

圖4 在SEM 下觀察到的IC 表面形貌

另取3 只不良光源進行確認，同樣可觀察到其IC芯片表面形貌異常，且異常的位置多位于芯片的右上角。失效IC 的右上角形貌異常如圖4（c）所示。失效IC的頂面封裝膠形貌如圖4（d）所示，其與失效IC 表面的紋理結(jié)構(gòu)重合，由于IC 與頂面封裝膠直接接觸并貼合，這說明在點封裝膠前失效IC 已經(jīng)存在形貌異常。隨機抽取1 只未使用的正常光源的IC 進行觀察，可觀察到芯片表面形貌正常，如圖4（f）所示。正常光源的IC 右上角位置形貌清晰且規(guī)則，與失效IC 形貌存在較大的差異。

3 分析與討論

對不良光源的IC 異常位置進行FIB-SEM 截面分析，IC 異常位置的FIB-SEM 測試結(jié)果如圖5 所示。可以看到，芯片內(nèi)部存在蝕刻形貌異常，同時可觀察到有異物殘留和污染的情況。采用EDS 檢測芯片的表面和截面，可檢測到異物中Fe 元素含量較多，異物的EDS 測試結(jié)果如表1 所示。含F(xiàn)e 元素異物鑲嵌在芯片內(nèi)部會導(dǎo)致芯片內(nèi)部蝕刻線路異常，造成內(nèi)部功能單元失效，最終使集成電路功能偏離設(shè)計，局部或全部失效。

表1 異物的EDS 測試結(jié)果

圖5 IC 異常位置的FIB-SEM 測試結(jié)果

含F(xiàn)e 元素異物鑲嵌在芯片的內(nèi)部說明在芯片制程中存在異常?？赡芤隖e 元素的工序很多，較常見的是由制造、測試設(shè)備或材料引入，如單晶硅提取設(shè)備、鍍膜設(shè)備、沉積設(shè)備、光刻機、顯影機、光刻液、清洗液等引入的污染，甚至在曝光時的黃光區(qū)環(huán)境污染也有可能引入Fe 元素。而Fe 元素的污染可能會覆蓋或阻擋光刻，導(dǎo)致內(nèi)部線路蝕刻異常，電路邏輯發(fā)生混亂，使得IC 功能偏離了實際的設(shè)計。

4 結(jié)論

本文結(jié)合基礎(chǔ)電性測試、X 射線測試、示波器測試、SEM 測試、物理開封、FIB-SEM 測試和EDS 測試，分析得到了某型號DOB 封裝LED 光源亮度下降的根本原因是電源IC 功能異常。而該電源IC 失效原因為Fe 元素的殘留與污染造成的蝕刻異常，含F(xiàn)e 元素異物鑲嵌在芯片內(nèi)部，導(dǎo)致內(nèi)部蝕刻線路異常，造成內(nèi)部功能單元失效，最終使集成電路功能偏離設(shè)計，局部或全部失效。針對這些情況，建議晶圓廠加強對芯片制程的工藝管控，封裝廠加強芯片的來料檢驗，同時增加焊線后的檢測工序。