LED灯带失效分析及质量改进建议

LED灯带失效分析及质量改进建议

刘亮洪

广东省东莞市质量监督检测中心 广东东莞 523000

摘要：本文对某照明企业两种型号完好的LED柔性灯带产品（型号A使用3528 LED封装，型号B使用5050 LED封装）进行机械应力、电学应力和热学应力试验，并根据试验结果对LED灯带的失效现象进行 分析。本文同时总结已失效灯带的可见性损坏情况，并放大扫描正常灯珠和失效灯珠，从微观角度分析失效原因。通过各种失效分析，给出LED柔性灯带产品的质量改进建议。

关键词：失效；试验；质量

前言：

LED柔性灯带广泛应用于装饰照明领域，光线柔和又具有观赏性，是直接照明的补充。其驱动一般是简单的桥堆整流，且实际使用中经常被弯曲成任意形状，所以经常出现部分或整体失效。

1.物理试验分析

1.1机械应力试验

1.1.1扫频振动

测试中将两种型号的LED灯带，每型号一捆50m，放置于振动台上，如图1所示。型号A为暖色灯带，包装于包装盒内，置于下部，型号B置于包装盒上，用夹具夹紧后开展扫频振动测试。扫频振动模拟LED灯带在使用过程中受到环境的振动影响。参考GB/T 2423.10-2019标准试验方法，扫频范围（5-55Hz），重力加速度2g，试验时间4h【1】。

图1                            图2

扫频振动试验后，灯带无可见性损坏，型号B的其中1m不能点亮。仔细观察，所有封装、电阻、走线和外壳均无异样。通过挤压不亮那段靠近前一段接线口的地方，灯带偶尔能点亮，无闪烁现象。

结合故障现象，初步判断是振动条件下引起这段灯带的焊接点接触不良，可能存在的触点不良包括封装的管脚焊接点、LED封装内部的封装键合点。扫描振动测试表明，管脚焊接点或封装内部键合点受扫频振动的影响较大，建议提高焊接工艺和键合工艺。

1.1.2弯曲试验

分别取型号A、B灯带样品各2组（5m/组），在220V，50Hz下正常点亮。弯曲试验用耐弯折摇摆试验机进行（图2），灯带下挂10N的砝码使之保持垂直状态。试验进行到300次以上时，型号B #1样品灯带随着摇摆出现明暗交替情况; 试验进行到500次以上时, 型号B #2样品出现同样情况。随后分析可知，弯曲部位的LED封装的焊点一端出现脱落，导致此段灯带的回路不通，如施加压力使脱落点重新接触，则此段灯带能点亮。

型号A灯带2组样品进行相同的试验，弯曲次数达到1000以上时，灯带均为无可见性损坏，能正常点亮。

不同灯带在相同试验下出现上述差异，观察其结构可以发现：5050封装的灯带比3528封装的更容易受外界应力影响，导致焊点部分脱落。

测试表明，使用过程中的多次弯曲会造成灯带的元器件焊接点开裂导致失效，建议提高焊接工艺的质量水平和焊接点的强度。

1.1.3拉伸试验

分别取型号A、B灯带样品各2组（5m/组），在220V，50Hz下正常点亮。把型号A #1样品的一段夹在拉力试验机上（图3），施加100N拉力，拉力速度25N/s，试验次数25次。试验过程中，灯带能保持正常点亮的状态，但试验后发现局部灯带的贴片电阻焊点出现可见裂缝，存在故障隐患。#2样品灯带进行相同的试验，被拉的一段在试验过程中均正常，但随后也出现偶尔不亮的现象，检查并无发现可见损坏，判断是出现了元件接触不良的情况。

图3                            图4

型号B灯带进行了相同的试验，但2组样品均无异样。

测试表明，使用过程中的偶然拉伸会造成灯带的元器件焊接点的裂纹或裂缝，不可预测的偶发性非正常拉伸会导致焊点的接触不良出现，使灯带出现故障隐患。建议提高焊接工艺的质量水平和焊接点的强度。

1.2电学应力试验

1.2.1电压波动

分别取型号A、B灯带样品各2组（5m/组），在220V、50Hz下正常点亮。变频电源的电压在交流(180-260)V之间随机波动，带灯的明暗变化与电压的大小变化成正比，持续一段时间内，4组灯带均能承受这样的电压波动，未出现异常情况。

测试表明，灯带能承受一定电压范围的正常波动，使用过程中电网的电压波动不会对灯带造成明显的影响。

1.2.2瞬变脉冲

分别取型号A、B灯带样品各2组（5m/组），在220V，50Hz下正常点亮。瞬变脉冲群试验按照GB/T17626.4-2018标准试验方法，在电源端施加±1kV试验电压瞬变脉冲群，试验时间为8分钟【2】。4组灯带均能承受瞬变脉冲群试验，未出现异常情况。

测试表明，灯带的抗峰值电压脉冲干扰的能力较强，使用过程中电网的干扰电压不会对灯带造成明显的影响。

1.3热学应力试验

1.3.1高温工作

分别取型号A、B灯带样品各2组（5m/组），在220V，50Hz下正常点亮。灯带参考GB/T 2423.2-2008的严酷等级，放置在+50℃的试验箱中老化72h【3】，试验后，未发现灯带出现可见性损坏，一直保持正常点亮状态（图4）

。

光通维持率试验与高温试验同时进行。型号A、B灯带样品2组（5m/组）分别在老化0h时测量一次光通量，在+50℃下老化72h后测量一次光通量，结果如表1所示。

表1 高温老化的光通维持率测试

通过高温老化试验，LED灯带光输出性能无显著变化。  

测试表明，灯带的热学性能良好，短期加速老化情况下，光通量输出稍微增加，正常使用情况下的预期光通维持率寿命较长。

2.显微扫描分析

为了对故障灯带进行内部状况分析，本节对测试过程中出现闪烁,变暗的灯带的灯珠进行了取样，分析故障灯带的内部状况。为了比对方便，同时对使用过程中未产生问题的灯带进行了取样。由于篇幅原因，本节只给出型号A（3528LED封装）的分析结果。

截取已使用过的未产生故障的外观状况及光学性能完好的型号A的LED封装，灯带变暗的封装（实测芯片的电阻大）和闪烁的封装（实测芯片部分存在短路），使用溶剂溶解了封装的封装胶、荧光粉等，放在显微镜下进行显微成像和SEM扫描分析。

2.1正常灯带的放大分析

外观完好的3528封装溶解了封装胶后的3D成像及SEM扫描影像如图5、图6所示。

图5                            图6

从正常的3528芯片的3D图可以看出，该芯片的键合点也出现了轻微的碳化和变色现象。键合点自身轻微老化、积碳，键合丝出现热化学腐蚀现象，靠近PN结的一端尤为明显。

从芯片SEM图可以进一步看出，芯片键合点处物理特性发生轻微的物理变化，积碳现象出现，键合丝有轻微腐蚀现象。

测试表明，封装的键合丝出现积碳，说明荧光粉耐高温性能不足，键合丝的键合强度或物理成分存在缺陷，导致键合点出现隐患。

2.2故障灯带的放大分析

发生断路变暗的3528灯带的灯珠溶解了封装胶后的显微成像及SEM扫描影像如图7、图8所示。

图7                           图8

从断路的芯片显微图可以看出，芯片的两个键合点已经完全碳化，变色，移位； 断路芯片的PN结完全烧毁，键合丝基本都已经断开，离位；键合丝出现严重的化学腐蚀现象。

该封装的芯片位置没有位于正中心，而是偏移到封装的一侧，封装位置出现严重的偏离，说明芯片的封装存在巨大的工艺缺陷。

从芯片SEM图可以进一步看出，芯片及支架上键合点的物理特性均发生严重物理变化，积碳现象明显，键合丝有严重腐蚀现象。

测试表明，封装的键合位置出现非常严重的偏移，造成了灯带的质量缺陷；封装的整体碳化，表明荧光粉耐高温性能不足。

3.总结及建议

3.1灯带的优势和缺陷

LED灯带的抗电源波动能力较强，测试过程中电源的宽范围电压波动未影响灯带的正常工作。LED灯带的抗浪涌脉冲能力较强，测试过程中高压脉冲的骚扰未影响灯带的正常工作。LED灯带的光通维持率性能较好，高温加速试验工程中，多数灯带光通量增加，灯带的光学预期寿命较长。

同时，LED灯带电子元件的焊接工艺较差，振动、弯曲或拉伸容易造成裂缝、裂纹。灯珠封装的荧光粉耐高温性能较差，正常使用情况下，出现了高温下键合点积碳现象。封装的键合点位置偏移，灯珠键合工艺较差，键合点在芯片上出现位置偏移，出现了造成芯片短路现象。 封装的键合点失效，灯珠键合丝及键合工艺较差，出现了较多情形的键合点附件积碳现象，键合点的故障隐患多。

4.2质量改进建议

1）建议采用键合工艺良好、金线含金纯度高和耐高温荧光粉的LED封装。从源头消除最关键部件的质量隐患，保障灯带的寿命。

2）建议提高LED灯带的封装和元器件焊点处的强度，改进焊接工艺，保持焊接的一致性。使得元件焊点受到外部应力作用时，有一定的抵抗能力，保持在位并且和覆铜板接触良好。

3）建议改善产品结构，适当使用固态胶固定内部结构。提升灯带透明外壳的抗弯、抗拉强度，以保护内部元件不被损坏，增加产品的可靠性。

结语

通过各种试验和分析发现，造成灯带失效原因一方面是制造工艺，一方面是使用时的外部应力。外部应力是无可避免的，企业应重点考虑改良制造工艺，提高产品质量和可靠性，减小失效带来的成本增加。

参考文献

[1] GB/T 2423.2-2008《环境试验 第2部分：试验方法 试验Fc：振动（正弦）》，2019-06-04.

[2] GB/T 17626.4-2018《电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群看扰度试验》,2018-06-07.

[3] GB/T 2423.2-2008《电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验B：高温》，2008-12-30.