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1、发光二极管失效分析1引言和半导体器件一样，发光二极管（LED）早期失效缘由分析是牢靠性工作的重要部分，是提高LED牢靠性的乐观主动的方法。LED失效分析步骤必需遵循先进行非破坏性、可逆、可重复的试验，再做半破坏性、不行重复的试验，最终进行破坏性试验的原则。采纳合适的分析方法，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、树脂实心及透亮封装等特点，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。2LED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，目视检验是使用最便利、
2、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看内部状况，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，往往看不清晰，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简单观看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精确无误；支架、芯片、树脂是否发生色变以及芯片裂开等失效现象，都可以清晰地观看到了。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，假如将器件整体浸入酸液中，强酸腐蚀
3、祛除树脂后，芯片和支架引脚等就完全暴露出来，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。因此我们采纳半腐蚀解剖法，只将LEDDUA单灯顶部浸入酸液中，并精确掌握腐蚀深度，去除LEDDUA单灯顶部的树脂，保留底部树脂，使芯片和支架引脚等完全暴露出来，完好保持引线连接状况，以便对DUA全面分析。图1所示为半腐蚀解剖前后的65LED,可便利进行通电测试、观看和分析等试验。图1半腐蚀解剖前后的5LED在LEDDUA缺陷分析过程中，常常遇到器件初测参数特别，而解剖后取得的芯片进行探针点测，芯片参数又恢复正常，这时很难推断特别
4、现象是由于封装犍合不良导致，还是封装树脂应力过大所造成。采纳半腐蚀解剖，保留底部树脂，祛除了封装树脂应力的膨响，又保持DUA内部引线连接，这样就很简单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掌握手段，其实质是制备供分析样品观看用的典型截面，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1oLED的截面分析，是对LEDDUA失效分析的“最终手段”，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，最终在细毛织物上用005Um的氧化铝膏剂抛光。图2为5白光LED侧向典型截面
5、，可清晰地看到其结构状况。图25门光LED侧向典型截面需要留意的是GaN基LED中的蓝宝石衬底特别坚硬，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依据已知的结果，去查找产生结果的缘由而进行的分析试验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。LED-DUA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，常常先采纳析因试验分析法，分析工程师依据受测结果和外观检查状况，综合相应理论学问和以往积累的分析阅历，估量器件失效缘由，并提出针对性试验和
6、方法进行验证。一般可采纳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65透亮红光LED单灯，出货检验时消失个别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采纳重力冲击试验，消失试验后开路失效，减薄树脂后看到芯片与银浆错位，是造成间歇开路失效的缘由。2.5 变电流观看法作为光电器件的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，还必需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看DUA的出光变化状况，常常可以得到预想不到的收获。假如DUA按额定电流通电，观看时可能因出光太强而无法看清，而
7、通过转变电流大小，可清晰地观看到其出光状况。例如GaN基蓝光LED正向电压Vf大幅上升的现象，在小电流下，有些可以观看到因电流扩展不良而造成芯片只有局部发光的现象，明显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65LED所观看到的芯片小电流扩展不良现象。图3IED芯片电流扩展不良现象2.6 试验反证法LED失效分析过程中，常常受到分析仪器设施和手段的限制，不能直观地证明失效缘由，高素养的分析工程师，常常通过某些分析试验，实行排解的方法，推论反证失效缘由。例如DUA为8X8红光LED点阵，半成品初测合格，灌胶后消失单点LED反向漏电流特大，受仪器
8、设施限制，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,测试中发觉DUA正向光电参数无特别，而反向漏电流大，故采纳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IW白光LED严峻光衰失效现象：特别照明用1W白光LED连续通电两周后严峻光衰。解析过程：进行光电参数测试，除光通量严峻下降外，其他电参数未见特别，同时发觉使用环境散热差，使用中器件外壳温度很高。初步认为芯片结温过高造成严峻光衰。依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=
9、POexp(-t)=lfexp(-Ea/kTj)式中：Po为初始光通量；P为加温加电后的光通量；B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；BO为常数：Ea为激活能；k为波耳兹曼常数(862X10-5eV)；If为工作电流；Tj为结温；而Tj=TC+VflfRj-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6所打算，衰减系数B的大小又取决于结温Tj的凹凸，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，我们采纳析因试验分析法，对DUA实行临时应急降温措施,光哀得到明显改善，即确定温度过高是造
10、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特别(图4),排解芯片缺陷造成热阻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。图41WLED芯片X上显微透视图3.2 ESD损伤致LED反向漏电流大失效现象：65透亮蓝光GaNLED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5V的反向电压下，漏电流为50200口A,先用减薄树脂光学透视法，在立体显微镜下观看封装状况，打线键合及固晶等均未发觉特别
11、；由于蓝光GaNLED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，可清晰看到芯片静电放电损伤的击穿点，详见图5,初期推断得到印证。图5被EDS击穿的LED芯片3.3 内气泡致LED单灯开路失效现象：65透亮蓝光GaN-LED单灯使用中先闪耀后熄灭。解析过程：通电进行参数测试，DUA呈开路状态，采纳减薄树脂光学透视法分析，在立体显微镜下观看封装状况，发觉支架杯中芯片n电极边上有一气泡，其他部分未发觉特别（图6）,由于芯片消失开路的可能性极低，所以推断应为引线开路。解剖器件，发觉n极金线焊球脱离芯片电极造成开路，因而使器件熄灭，推断
12、得到印证。图6器件内部气泡造成评路3.4 二焊开路造成LED死灯失效现象：65透亮蓝光GaNLED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，在立体显微镜下观看封装状况，除P电极金丝二焊点外，其他部分未发觉特别；P电极二焊点金丝线体和焊接面厚度变化较为猛烈，过度不够平滑。采纳减薄树脂光学透视法，仍旧无法看清开路点。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，推断得到印证。!17鹏点断发开路4留意事项4.1 静电防护GaN基LED是静电敏感器件，简单因静电放电损伤，引起短路或漏电流大，反向呈软击穿特损伤，引起短路或漏电流
13、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）消失变化等。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的光电参数渐渐劣化，最终完全失效4,因此，在整个分析过程中，必需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 焊接散热爱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造成的损坏和转变的可能性。假如需要焊接的，应对引脚进行散热爱护，例如用金属锻子夹住DUA引脚根部，并缩短焊接时间，防止因过热而转变或损害DUA的内部焊点。5结束语LED理论上的寿命是很长的，可达1O5h,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，均可采纳本文中的一种或数种分析方法结合并用，查找、确定失效缘由，以便进一步完善LED制造技术，使LED的长寿命、高牢靠的优点得到充分的体现。
