失效分析
优尔鸿信
LED显示屏模组烧毁分析
优尔鸿信检测技术(深圳)有限公司
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一
测试背景
客户反馈其LED格栅灯在使用时出现大量产品死灯现象,经客户排查发现LED灯驱动器主板电解电容漏液,主板有打火迹象,不良率约30%。故送测4个新品和5个不良品委托实验室进行分析,以期找到失效的原因。
LED格栅灯失效后未立即断电,继续使用一段时间,后因出现大量产品失效而停止使用;失效现场有大约20台功率为3KW的电焊机同时使用。以上信息由客户提供。
二
分析方案
①X-Ray检测:对样品内部结构进行二维透视成像
②电性测试:定位样品“微短路”缺陷位置
③浪涌模拟实验:三维重构样品内部缺陷特征
④电解电容电参数测试:暴露样品内部微短路缺陷
⑤SEM-EDS分析:观测样品内部微短路缺陷形貌并确认成分
⑥分析结论
三
失效现象确认
● 取不良品1#,通电,一个灯不亮;取下该灯的驱动电源,与新品的驱动电源互换,发现不良品灯珠正常点亮无异常,仅一个驱动电源损坏。

● 拆解不良驱动电源,发现保险丝已烧毁,电解电容鼓包漏液,部分二极管短路,恒流驱动芯片短路。

● 取不良品2#,通电,失效现象类似于不良品1#,为驱动电源损坏。


2# 主板损坏状况比1#更严重,电解电容除漏液外绝缘电阻下降,变压器位置有打火现象。压敏电阻被击穿,恒流驱动芯片及部分二极管短路。
不良品3#、4#、5#驱动电源主板损坏状况同不良品2#相同。
四
分析过程
4.1 电解电容分析:
● 电解电容焊接检查,未发现正负极接反。取不良品2#上的电解电容及1个良品上的电解电容进行外观检查及X-RAY检查。


不良品电解电容顶部鼓包漏液,X-RAY检查未发现明显异常。不良品电解电容俯视图电解纸及铝箔纹路不清晰,应与其漏液有关,新品未见明显异常。
● 取不良品2#、3#上的鼓包电容、未鼓包电容及3个新品上的电解电容进行电参数测试。

鼓包电容电参数严重漂移,新品上的电容电参数未见异常。
● 解剖观察,取不良品2#及3#的鼓包电容进行解剖

两个鼓包电容解剖后均未发现明显的击穿烧毁迹象,但铝箔上均有一些位置颜色异常,推测为高温造成。
4.2 浪涌模拟实验:
浪涌也叫突波,指超出正常工作电压的瞬间过电压。本质上讲,浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。可能引起浪涌的原因有:闪电、市电故障、接地不良、重型设备、短路、电源切换或大型发动机。其结果可能会造成数据丢失(或损坏)甚至设备的损毁,而其中以闪电破坏性最强。闪电击中以及触点开关产生的瞬间放电或电弧放电引起的电涌,从现象上看有:
1)飞弧:在被损的部件上留下明显的电弧痕迹;
2)电晕:在绝缘体表面上,有明显的电蚀痕迹,被蚀部位绝缘下降;控制电路的IC等组件损坏;一般电子设备、家用电器的整流组件、稳压组件损坏;接地故障成设备带电(单相接地):造成设备相间短路(电机相间短路)。
● 为确认LED失效是否为浪涌过电压击穿造成的,对新品进行浪涌模拟实验。
实验参数如下:
1)电压400-3KV,相位角0-270°,步进90°,时间60s,循环5次;
2)电压3.8KV,相位角0-270°,步进90°,时间60s,循环5次;
3)电压4KV,相位角0-270°,步进90°,时间60s,循环5次;
4)电压10KV,相位角0-270°,步进90°,时间60s,循环5次;

实验结果:
1)电压从400V逐步升至3KV时,测试品正常工作未见异常。
2)当电压为3.8 KV时,一个灯死灯失效,拆开该灯驱动器后发现主板有打火现象,电解电容正常,未发生鼓包漏液现象。经电测,保险丝未烧断,但恒流驱动芯片已短路,其它元器件正常。继续给失效主板通220V交流电,用热成像仪监测电解电容温度,发现其未继续工作产热,因此后续不会有鼓包漏液的可能。
测试中保险丝未起到保护作用,压敏电阻未起到浪涌保护作用。

3)当电压为4KV时,一个灯死灯失效,拆开该灯驱动器后发现主板有打火现象,电解电容正常,未发生鼓包漏液现象,变压器有烧毁痕迹。经电测发现,该主板保险丝已烧毁,压敏电阻击穿。

4)当电压为10KV时,通电20s左右,测试品两个灯死灯失效,拆开该灯驱动器后发现主板无打火现象,电解电容正常,未发生鼓包漏液现象。经电测,主板保险丝已烧断,其它元器件正常。测试中保险丝在高压时起到保护作用。

该驱动器主板采用1.6A保险丝及560V压敏电阻(防浪涌)保护电路,电解电容的作用是稳压滤波,电压经变压器变压后,经过驱动芯片输出稳定的电流。
通过浪涌实验发现,此驱动电源主板采用1.6A的保险丝加压敏电阻保护电路,在一定条件下不能对电路起到保护作用,如4KV左右出现芯片烧毁但保险丝及压敏电阻均正常的现象。
虽然在浪涌过电压下,可以出现死灯、元器件失效及打火现象,但不能完全模拟出电容爆浆现象,所以浪涌应该不是导致LED失效的主要原因。
4.3 谐波分析:
电解电容爆浆漏液的原因如下:
1)环境温度过高;2)使用电压超出工作电压;3)逆向电压;4)谐波电流。
当电容的内部温度达到电解液的沸点时,电解液开始沸腾,电容内部的压力升高,当压力超过泄爆口的承受极限就发生了爆浆。
从上述测试结果可知,电解电容无极性接反现象,可排除逆向电压;不良电容拆解后未发现击穿烧毁迹象;在浪涌过电压实验,新品电容未出现击穿烧毁现象;结合不良主板压敏电阻失效现象,推测LED失效与谐波电流有关。
上述提到,失效现场有20台电焊机(每台3KW)同时工作,电焊机是典型的非线性负载,在使用时会产生谐波。谐波主要存在以下危害:
1)会显着缩短白炽灯的寿命;
2)会使保险丝电流特性曲线位移,造成非正常停电;
3)会对电动机造成附加损耗,产生机械振动与噪声;
4)会造成大量的电力损失;
5)会使电容器发热、鼓包、击穿或爆炸;
6)会使电子设备误动或拒动,造成系统故障;
7)会对电压表、电流表、功率表、电能表等计量产生误差,造成错误信息;
8)干扰网络通信,收音效果或造成视听中断;
9)对产生谐波的设备自身造成损害等。
谐波电流的存在常使电容器发生异常,严重时引起电容器鼓包、击穿甚至爆炸。发生这种情况的主要原因是:
1)高次谐波电流叠加于基波电流,使电容器总电流增大;
2)某一高次谐波在系统感抗和电容器容抗之间引起并联谐振,使流入电容器的电流成倍增长;
3)电容器内部对某一高次谐波发生局部串联谐振,从而引起过负荷。
五
结论及建议
1)电性测试结果发现不良电解电容电参数漂移,新品电解电容电参数未见异常。
2)解剖失效的电解电容后,未发现明显的击穿烧毁迹象。
3)浪涌过电压下,可以出现死灯、元器件失效及打火现象,但不能完全模拟出电容爆浆现象,所以浪涌应该不是导致LED失效的主要原因。
4)LED格栅灯失效现场同时使用20台3KW电焊机,电焊机产生的谐波会使电容鼓包击穿甚至爆炸,推测谐波是造成LED灯失效的主要原因。
改善建议:
1)建议给电焊机的电源上加装交流电抗器。
2)建议电焊机单独接电,避免同LED格栅灯一起接线。