摘要 : 基于发光二极管 (LED) 所具有的特点 , 系统地总结出一套发光二极管失效分析方
法 , 并给出了几个典型失效分析案例 , 简要阐述了失效分析过程中的注意事项。通过失效分析 ,
进一步优化和改善了 LED 的制造技术 , 达到提高质量和可靠性的目的。该方法在失效分析过程
中具有一定的指导意义。
关键词 : 发光二极管 ; 失效分析 ; 解剖 ; 金相学
1 引言
和半导体器件一样 , 发光二极管 (LED) 早期
失效原因分析是可靠性工作的重要部分 , 是提高
LED 可靠性的积极主动的方法。LED 失效分析步骤
必须遵循先进行非破坏性、可逆、可重复的试验 ,
再做半破坏性、不可重复的试验 , 最后进行破坏性
试验的原则。采用合适的分析方法 , 最大限度地防
止把被分析器件 (DUA) 的真正失效因素、迹象丢
失或引入新的失效因素 , 以期得到客观的分析结
论。针对 LED 所具有的光电性能、树脂实心及透
明封装等特点 , 在 LED 早期失效分析过程中 , 已
总结出一套行之有效的失效分析新方法。
2 LED 失效分析方法
2.1 减薄树脂光学透视法
在LED 失效非破坏性分析技术中 , 目视检验
是使用最方便、所需资源最少的方法 , 具有适当检
验技能的人员无论在任何地方均能实施 , 所以它是
最广泛地用于进行非破坏检验失效 LED 的方法。
除外观缺陷外 , 还可以透过封装树脂观察内部情
况 , 对于高聚光效果的封装 , 由于器件本身光学聚
光效果的影响 , 往往看不清楚 , 因此在保持电性能
未受破坏的条件下 , 可去除聚光部分 , 并减薄封装
树脂 , 再进行抛光 , 这样在显微镜下就很容易观察
LED 芯片和封装工艺的质量。诸如树脂中是否存在
气泡或杂质 ; 固晶和键合位置是否准确无误 ; 支
架、芯片、树脂是否发生色变以及芯片破裂等失效
现象 , 都可以清楚地观察到了。
2.2 半腐蚀解剖法
对于 LED 单灯 , 其两根引脚是靠树脂固定的 ,
解剖时 , 如果将器件整体浸入酸液中 , 强酸腐蚀祛
除树脂后 , 芯片和支架引脚等就完全裸露出来 , 引
脚失去树脂的固定 , 芯片与引脚的连接受到破坏 ,
这样的解剖方法 , 只能分析 DUA 的芯片问题 , 而
难于分析 DUA 引线连接方面的缺陷。因此我们采
用半腐蚀解剖法 , 只将 LED2DUA 单灯顶部浸入酸液中 , 并精确控制腐蚀深度 , 去除 LED2DUA 单灯
顶部的树脂 , 保留底部树脂 , 使芯片和支架引脚等
完全裸露出来 , 完好保持引线连接情况 , 以便对
DUA 全面分析。图 1 所示为半腐蚀解剖前后的 <5
LED , 可方便进行通电测试、观察和分析等试验。
在 LED2DUA 缺陷分析过程中 , 经常遇到器件
初测参数异常 , 而解剖后取得的芯片进行探针点
测 , 芯片参数又恢复正常 , 这时很难判断异常现象
是由于封装键合不良导致 , 还是封装树脂应力过大
所造成。采用半腐蚀解剖 , 保留底部树脂 , 祛除了
封装树脂应力的影响 , 又保持 DUA 内部引线连接 ,
这样就很容易确认造成失效的因素。
2.3 金相学分析法
金相学分析法是源于冶金工业的分析和生产控
制手段 , 其实质是制备供分析样品观察用的典型截
面 , 它可以获得用其他分析方法所不能得到的有关
结构和界面特征方面的现象[1 ] 。LED 的截面分析 ,
是对 LED2DUA 失效分析的“最后手段”, 此后一般
无法再进行其他评估分析。它也是一种 LED 解剖
分析法 , 为了分析微小样品 , 在一般试验中 , 需要
对分析样品进行树脂灌封 , 以便进行机械加工 , 再
对所需要分析的界面进行刨削或切断 , 然后经过研
磨、抛光 , 获得所要分析的界面。而对 LED 器件 ,
有很多本身就是树脂灌封器件 , 这样只要选好界
面 , 就可通过刨削、研磨、抛光等 , 获得 LED2
DUA 的典型截面。操作中 , 剖截面通常可用金刚
砂纸研磨 , 当接近所关注的区域时 , 改用较细的金
刚砂纸研磨或水磨 , 最后在细毛织物上用0105μm
的氧化铝膏剂抛光。图 2 为 <5 白光 LED 侧向典型
截面 , 可清楚地看到其结构情况。
需要注意的是 GaN 基 LED 中的蓝宝石衬底异
常坚硬 , 由于目前尚未有较好的研磨方法 , 因此对
这类的 DUA 还难以对芯片进行截面分析。
2.4 析因试验分析法
析因试验是根据已知的结果 , 去寻找产生结果
的原因而进行的分析试验[2 ] 。通过试验 , 分清是主
要影响还是次要影响的因素 , 可以明确进一步分析
试验的方向。析因试验分析是一种半破坏性试验。
LED2DUA 解剖分析对操作过程要求较高 , 稍不留
神即可能造成被分析器件的灭失。分析过程中 , 经
常先采用析因试验分析法 , 分析工程师根据复测结
果和外观检查情况 , 综合相应理论知识和以往积累
的分析经验 , 估计器件失效原因 , 并提出针对性试
验和方法进行验证。一般可采用相应的物理措施和
试验 ———冷热冲击试验、重力冲击试验、高温或低
温试验和振动试验等。例如库存 <5 透明红光 LED
单灯 , 出货检验时出现个别 LED 间歇开路失效现
象 , 而两次检测只经过搬动运输 , 故先对 DUA 采
用重力冲击试验 , 出现试验后开路失效 , 减薄树脂
后看到芯片与银浆错位 , 是造成间歇开路失效的原
因。
2.5 变电流观察法
作为光电器件的 LED , 与一般半导体器件相
比 , 其失效分析除检测 DUA 的电参数外 , 还必须
关注光参数方面的变化。除了通过专业测试仪检测
外 , 还可直接通过眼睛或借助显微镜观察 DUA 的
出光变化情况 , 经常可以得到预想不到的收获。如
果 DUA 按额定电流通电 , 观察时可能因出光太强
而无法看清 , 而通过改变电流大小 , 可清晰地观察
到其出光情况。例如 GaN 基蓝光 LED 正向电压 Vf
大幅升高的现象 , 在小电流下 , 有些可以观察到因
电流扩展不良而造成芯片只有局部发光的现象 , 显
然为电极与外延层间接触不牢靠 , 在封装应力的作
用下 , 接触电阻变大所造成的失效。图 3 为经减薄处理后 <5LED 所观察到的芯片小电流扩展不良现
象。
2.6 试验反证法
LED 失效分析过程中 , 经常受到分析仪器设备
和手段的限制 , 不能直观地证明失效原因 , 高素质
的分析工程师 , 经常通过某些分析试验 , 采取排除
的办法 , 推论反证失效原因。例如 DUA 为 8 ×8 红
光LED 点阵 , 半成品初测合格 , 灌胶后出现单点
LED 反向漏电流特大 , 受仪器设备限制 , 只有直流
电源和 LED 光电参数测试仪 , 不能做解剖或透视
分析 , 测试中发现 DUA 正向光电参数无异常 , 而
反向漏电流大 , 故采用反向偏置并加大电流至数十
毫安后 , 再测正向光电参数 , 前后结果无明显变
化 , 说明反向偏置中的数十毫安并非从该 LED 芯
片通过 , 由此推定并非 LED 芯片造成漏电。
3 案例分析
3.1 结温过高造成 1W 白光LED 严重光衰
失效现象 : 特殊照明用 1W 白光 LED 连续通电
两周后严重光衰。
解析过程 : 进行光电参数测试 , 除光通量严重
下降外 , 其他电参数未见异常 , 同时发现使用环境
散热差 , 使用中器件外壳温度很高。初步认为芯片
结温过高造成严重光衰。根据阿仑尼斯模型给出计
算不同结温的期望工作寿命和激活能的公式
P = P0exp ( - βt)
β=β0 Ifexp ( - Ea/ kTj
)
式中 : P0 为初始光通量 ; P 为加温加电后的光通
量 ; β为某一温度下的衰减系数 ; t 为某一温度下
的加电工作时间 ; β0 为常数 ; Ea 为激活能 ; k 为
波耳兹曼常数 (8162 ×10 - 5 eV) ; If 为工作电流 ;
Tj 为结温 ; 而
Tj = Tc + Vf If Rj - c
式中 : Tc 为 DUA 的外壳温度 ; Vf 为正向电压 ;
Rj - c为芯片结到壳的热阻[3 ] 。
可见 LED 光通量的衰减快慢为系数β所决定 ,
衰减系数β的大小又取决于结温 Tj 的高低 , 而降
低结温 Tj 是通过降低外壳温度 Tc 和结到壳的热阻
Rj - c来实现的。据此 , 我们采用析因试验分析法 ,
对 DUA 采取临时应急降温措施 , 光衰得到明显改
善 , 即确定温度过高是造成光衰的主要因素。为了
彻底解决问题 , 我们检查和改善器件热通道上的各
环节 , 通过 X 光透视检查芯片的倒装质量未见异
常 (图 4) , 排除芯片缺陷造成热阻 Rj - c过大的可能;
改用共晶焊键合降低热阻 Rj - c , 加大散热器尺寸降低
外壳温度 Tc , 并在应用中增加通风设计 , 达到降低芯
片结温 Tj 的目的 , 最终使光衰问题得到解决。
3.2 ESD 损伤致LED 反向漏电流大
失效现象 : <5 透明蓝光 GaN2LED 单灯反向漏
电流大。
解析过程 : 进行光电参数测试 , 该 LED 器件
反向漏电流大 , 在5 V的反向电压下 , 漏电流为 50
~200μA , 先用减薄树脂光学透视法 , 在立体显微
镜下观察封装情况 , 打线键合及固晶等均未发现异
常 ; 由于蓝光 GaN2LED 为静电敏感器件 , 初步判
定反向漏电流大是静电放电 ( ESD) 损伤所致 ; 再
用半腐蚀解剖法解剖 DUA , 在高倍显微镜下 , 可
清楚看到芯片静电放电损伤的击穿点 , 详见图 5 ,
初期判断得到印证。
3.3 内气泡致LED 单灯开路
失效现象 : <5 透明蓝光 GaN2LED 单灯使用中
先闪烁后熄灭。
解析过程 : 通电进行参数测试 , DUA 呈开路
状态 , 采用减薄树脂光学透视法分析 , 在立体显微
镜下观察封装情况 , 发现支架杯中芯片 n 电极边上
有一气泡 , 其他部分未发现异常 (图 6) , 由于芯
片出现开路的可能性极低 , 所以判断应为引线开
路。解剖器件 , 发现 n 极金线焊球脱离芯片电极造
成开路 , 因而使器件熄灭 , 判断得到印证。
3.4 二焊开路造成LED 死灯
失效现象 : <5 透明蓝光 GaN2LED 单灯使用中
熄灭。
解析过程 : 通电进行参数测试 , DUA 呈开路
状态 , 先用减薄树脂光学透视法 , 在立体显微镜下
观察封装情况 , 除 p 电极金丝二焊点外 , 其他部分
未发现异常 ; p 电极二焊点金丝线体和焊接面厚度
变化较为剧烈 , 过度不够平滑。采用减薄树脂光学
透视法 , 仍然无法看清开路点。再用半腐蚀解剖
法 , 解剖后可明显看到 p 电极金丝二焊点断开 (图
7) , 造成器件熄灭 , 判断得到印证。
4 注意事项
4.1 静电防护
GaN基 LED 是静电敏感器件 , 容易因静电放
电损伤 , 引起短路或漏电流大 , 反向呈软击穿特性。失效模式分为两种 : 一为突发性失效 , 表现为
pn 结短路 , LED 不再发光 ; 一为潜在性缓慢失效 ,
例如带电体静电势或存贮的能量较低 , 一次 ESD
不足以引起发生突然失效 , 表现为漏电流加大、反
向呈软击穿特性 , 甚至亮度大幅度下降、光色 (主
波长) 出现变化等。它会在芯片内部造成一些损
伤 , 这种损伤是积累性的 , 随着 ESD 次数的增多 ,
LED 的光电参数逐渐劣化 , 最后完全失效[4 ] 。因
此 , 在整个分析过程中 , 必须始终做好静电防护工
作 , 防止静电损伤 DUA , 否则可能导致完全错误
的失效分析结论。
4.2 焊接散热保护
因分析或测试等需要对 DUA 进行烙铁加热焊
接的 , 焊接前须评估烙铁加热过程对 DUA 造成的
损坏和改变的可能性。如果需要焊接的 , 应对引脚
进行散热保护 , 例如用金属镊子夹住 DUA 引脚根
部 , 并缩短焊接时间 , 防止因过热而改变或损害
DUA 的内部焊点。
5 结束语
LED 理论上的寿命是很长的 , 可达 105
h , 早
期失效一般是由于设计、材料、结构、工艺和使用
等环节上存在一些缺陷所引起的 , 无论从使用现场
还是试验中获得失效器件 , 均可采用本文中的一种
或数种分析方法结合并用 , 寻找、确定失效原因 ,
以便进一步完善 LED 制造技术 , 使 LED 的长寿命、
高可靠的优点得到充分的体现。