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0431-81702023
LED
发光二极管失效分析

      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。