板上驱动封装LED 的电源IC 失效分析*

梁为庆，梁胜华，邬晶，周升威，黄家辉，林凯旋，邱岳，潘海龙，方方

（广东金鉴实验室科技有限公司失效分析部，广州 511300）

1 引言

随着LED 的发展越来越成熟，人们对LED 提出了更高的要求，色温可调、智能化、高度集成、结构紧凑和接近自然光色（全光谱）成为其发展的重要方向[1]。近年来，板上芯片（COB）封装光源[2-3]、板上驱动（DOB）封装光源也因此得到了长足的发展[4]，在LED照明中占据了举足轻重的地位。

DOB 光源俗称“去”电源化光源，因此也叫Driverless，其主要特点是把驱动电源与光源芯片集成在一块基板上，去掉传统的外接电源，直接用交流电（市电）点亮光源。它是高度集成、结构紧凑的新型光源的典型代表，然而随着集成度的增加，其可靠性问题变得比较突出。

失效分析是指在产品发生失效异常后，通过一定的方法和测试手段，对产品的结构、材料和工艺制程等进行系统的研究与分析，最终探讨其失效机理，从而给产品提出改善、提升和预防方案的整个流程。LED失效分析已经成为提升其可靠性、提高生产良率的重要手段。因此，LED 失效分析也成为了学界备受关注的研究方向[5-8]。然而，对LED 光源的失效分析往往集中在LED 芯片与封装方面，对DOB 封装LED 光源的电源IC 的失效分析以及对外接驱动电源IC 的失效分析报道较少[9-11]。

本文结合基础电性测试、X 射线测试、示波器测试、扫描电子显微镜（SEM）测试、物理开封、聚焦离子束显微镜（FIB-SEM）测试和能谱仪（EDS）测试等表征手段，分析发现某型号DOB 封装LED 光源亮度下降的原因是异常元素Fe 的残留与污染造成电源IC 芯片蚀刻异常，含Fe 元素异物镶嵌在芯片内部，导致芯片内部蚀刻线路异常，造成内部功能单元失效，最终使得集成电路功能偏离设计，局部或全部失效。

2 失效分析方法与结果

2.1 失效确认

在对某型号失效的DOB 封装LED 光源进行点亮测试时，发现其亮度比同批次的光源低，进一步测试分析其亮度下降的原因。点亮该亮度异常的DOB 封装LED 光源，测试其输入电压、输入功率和输入电流，结果如图1 所示。由图1 可知，样品的输入功率为0.5 W，输入电流为2.366 mA，远低于规格书标注的典型值（输入功率为0.8～1.2 W、输入电流为7 mA），因此初步判断此DOB 封装LED 光源亮度下降的原因是输入电流过低，导致功率过低，从而影响LED 光源亮度。

图1 失效样品的电性测试结果

2.2 X 射线测试分析

取1 只不良LED 光源进行X 射线测试，对其结构和引线进行确认，未发现LED 光源内部存在断线异常，X 射线测试结果如图2（a）所示。该光源由30 个串联的LED 灯珠（负载）、4 个整流二极管组成的全桥整流（电源）以及1 个恒流IC 构成。图2（b）为该光源的电路结构原理图。

图2 不良LED 光源的X 射线测试结果与电路结构原理图

2.3 负载与电源的电性测试分析

2.3.1 负载与整流桥的电性分析

对不良光源与正常光源进行化学开封，使用高压直流电直接点亮LED 串（负载），将电流设置为1～10 mA，间隔为1 mA，测试30 个LED 灯珠串联时的总电压，均未发现明显异常。此外，对不良光源和正常光源的LED 串驱动电压进行对比，也未发现异常，因此可以推断光源亮度下降不是由LED 负载引起的。

该LED 光源通过4 只二极管芯片组合成全桥整流，对比不良光源和正常光源的整流桥输出电压波形，整流桥的输出电压波形和电压均无异常，因此可排除整流桥异常使得功率偏低、导致光源亮度下降的可能性。

2.3.2 恒流IC 电性分析

取1 只不良光源，在其LED 串的两端并联LED串（由30 个LED 灯珠串联而成），以减少原负载的电压。示波器检测到恒流IC 会提高电压来起到恒流作用，图3（a）（b）分别为并联LED 串前后的不良光源IC波形图，证明该IC 起到了恒流调节作用。撤去并联的LED 串，使用示波器对不良光源的输入电信号进行测试，图3（c）为其测试结果。当输入电压为230 V、输入功率为0.5 W 时，不良光源的电流波形峰值为6.4 mA，低于7 mA。将输入电压提高为250 V，输入功率设置为0.6 W，未达到0.8～1.2 W，此时不良光源的电流波形峰值为6.4 mA，电流波形峰值没有发生变化。结合2.3.1 节的分析，电路中的负载、整流桥均正常工作，对测试结果不存在干扰，可推断该不良光源的恒流IC 存在异常。

图3 使用示波器对光源恒流IC 进行测试的结果

2.4 物理开封与SEM 测试分析

随机选取1 只不良光源，用物理开封的方法挑开失效IC 的封装胶，在SEM 下可观察到IC 表面纹理异常。失效IC 的表面形貌如图4 所示。

图4 在SEM 下观察到的IC 表面形貌

另取3 只不良光源进行确认，同样可观察到其IC芯片表面形貌异常，且异常的位置多位于芯片的右上角。失效IC 的右上角形貌异常如图4（c）所示。失效IC的顶面封装胶形貌如图4（d）所示，其与失效IC 表面的纹理结构重合，由于IC 与顶面封装胶直接接触并贴合，这说明在点封装胶前失效IC 已经存在形貌异常。随机抽取1 只未使用的正常光源的IC 进行观察，可观察到芯片表面形貌正常，如图4（f）所示。正常光源的IC 右上角位置形貌清晰且规则，与失效IC 形貌存在较大的差异。

3 分析与讨论

对不良光源的IC 异常位置进行FIB-SEM 截面分析，IC 异常位置的FIB-SEM 测试结果如图5 所示。可以看到，芯片内部存在蚀刻形貌异常，同时可观察到有异物残留和污染的情况。采用EDS 检测芯片的表面和截面，可检测到异物中Fe 元素含量较多，异物的EDS 测试结果如表1 所示。含Fe 元素异物镶嵌在芯片内部会导致芯片内部蚀刻线路异常，造成内部功能单元失效，最终使集成电路功能偏离设计，局部或全部失效。

表1 异物的EDS 测试结果

图5 IC 异常位置的FIB-SEM 测试结果

含Fe 元素异物镶嵌在芯片的内部说明在芯片制程中存在异常。可能引入Fe 元素的工序很多，较常见的是由制造、测试设备或材料引入，如单晶硅提取设备、镀膜设备、沉积设备、光刻机、显影机、光刻液、清洗液等引入的污染，甚至在曝光时的黄光区环境污染也有可能引入Fe 元素。而Fe 元素的污染可能会覆盖或阻挡光刻，导致内部线路蚀刻异常，电路逻辑发生混乱，使得IC 功能偏离了实际的设计。

4 结论

本文结合基础电性测试、X 射线测试、示波器测试、SEM 测试、物理开封、FIB-SEM 测试和EDS 测试，分析得到了某型号DOB 封装LED 光源亮度下降的根本原因是电源IC 功能异常。而该电源IC 失效原因为Fe 元素的残留与污染造成的蚀刻异常，含Fe 元素异物镶嵌在芯片内部，导致内部蚀刻线路异常，造成内部功能单元失效，最终使集成电路功能偏离设计，局部或全部失效。针对这些情况，建议晶圆厂加强对芯片制程的工艺管控，封装厂加强芯片的来料检验，同时增加焊线后的检测工序。