大功率LED失效機制分析

趙敏

惠州雷曼光電科技有限公司

1 前言

早在一百多年前的 1907 年，英國科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了碳化硅晶體在電流作用下會發(fā)光，二十年后俄羅斯科學(xué)家也驗證這一點。1935年法國科學(xué)家則發(fā)現(xiàn)了硫化鋅粉末在電流作用下發(fā)光的特質(zhì)，提出了今天所熟知的“電致發(fā)光”。此階段是半導(dǎo)體科學(xué)研究的起始，隨著50年代半導(dǎo)體物理學(xué)發(fā)展起來，半導(dǎo)體工業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展下，發(fā)光二極管的研究飛速發(fā)展。1965 年紅外發(fā)光 LED 已經(jīng)量化生產(chǎn)并投入使用，70年代時期，綠光、黃光LED也被相繼研發(fā)出來，以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的二極管性發(fā)光器件實現(xiàn)了快速發(fā)展，但是發(fā)光效率依然較低，無法應(yīng)用于照明領(lǐng)域。隨著氮化鎵(GaN)基材料制備技術(shù)發(fā)展，LED的功率也在不斷的提升，光電轉(zhuǎn)化效率的不斷提高，商用白光led也能夠達到160lm／W，為白光LED取代傳統(tǒng)光源提供了可能，其應(yīng)用的范圍越來越廣泛。發(fā)光二極管本質(zhì)上是個 PN 結(jié)，P 區(qū)中有過量的空穴，N 區(qū)有過量的電子，在經(jīng)過復(fù)雜的空穴和電子擴散、勢壘的作用形成的平衡態(tài)下，當(dāng)給發(fā)光二極管加正向電壓時，產(chǎn)生自發(fā)輻射 200～1550 nm 波長范圍的。

LED的失效可以定義為執(zhí)行規(guī)定功能能力的終止，LED的失效經(jīng)過顯著的失效發(fā)展階段，會形成嚴(yán)重失效和參數(shù)失效，前者是光電參數(shù)的改變引起的LED死燈，后者則是電參數(shù)由初始改變一直超出一定界限。隨著大功率LED的越來越普及，LED的失效問題也越來越頻繁。本文以大功率 LED 器件的可靠性出發(fā)，結(jié)合失效理論和原因分析，探討大功率LED的失效機制問題，為LED的實際應(yīng)用中提升其可靠性提供實踐上的依據(jù)。

2 大功率LED失效過程和原理分析

2.1 失效的發(fā)展

LED失效分為三個階段，第一階段是早期失效，屬于原材料和工藝加工的缺陷造成的失效，在初期失效率高，但是隨著工作的推進，失效率逐步降低。失效率代表在單位時間內(nèi)的失效概率。第二階段是隨機失效階段，也是偶然失效，當(dāng)進入了相對穩(wěn)定的工作階段，是產(chǎn)品的最佳使用階段，這一階段的失效是由于環(huán)境和使用不當(dāng)造成的突變性失效。第三階段是耗損失效期，經(jīng)過長時間的運作，LED產(chǎn)品的疲勞和老化下，光電參數(shù)衰退，失效率開始大幅增加，產(chǎn)品也走向壽命末期。

2.2 失效形式

第一，片材料缺陷引起的光通量輸出衰減，究LED老化的過程中距離導(dǎo)帶1．1eV的深能級缺陷密度快速增加，使異質(zhì)結(jié)分割面晶格失配產(chǎn)生的密度增加，構(gòu)成了新的能級從而使得發(fā)光效率降低。

第二，遷移和退化。LED經(jīng)過老化后，隧道電流、擴散電流、反向漏電路均有所增長，金屬雜質(zhì)順著缺陷向結(jié)區(qū)遷移，降低了LED的發(fā)光效率。

第三，熒光粉和環(huán)氧樹脂的降解失效。LED工作的高溫會使得LED發(fā)出的光產(chǎn)生紅移，光熱作用降低發(fā)光效率。

第四，大功率LED的電阻一般都比較低，瞬間的靜電容易擊穿或者局部破壞LED的結(jié)構(gòu)，引起災(zāi)難性的失效。

2.3 失效模式

LED的失效模式有5類：芯片失效芯片材料缺陷、芯片電極接觸不良、芯片污染。封裝失效是封裝材料退化或結(jié)構(gòu)變化、熒光粉失效；電過應(yīng)力失效如過電流沖擊、過電壓沖擊、靜電損傷；裝配失效如焊接不良、裝配不當(dāng)。

從以上的失效模式來看，靜電、電流、溫度是造成失效的最主要原因。工作電流過大會引起芯片溫度偏高，引起Ga-N鍵斷裂，使芯片緩慢老化。過大電流還會引起電遷移，導(dǎo)致芯片失效。靜電在生活中無處不在，靜電釋放會引起高壓并擊穿電介質(zhì)，或是形成電流通路，給芯片帶來損害。溫度太高則會造成內(nèi)量子效率降低，達到一定的臨界值還會引起芯片的破裂。

3 LED失效分析

先無損后有損，先外觀檢查是LED失效分析的原則，在實踐中分析方法有為外觀檢測，電性能測試，X射線透視檢測，開封，金相切片分析，掃描電鏡，能譜分析和其他的分析手段。

外觀檢測是直觀的通過顯微鏡檢測的方式觀察產(chǎn)品外觀特性，排除其他的異常原因。過電參數(shù)的測試可以發(fā)現(xiàn)LED的異常之處，從而反推失效部位和原因。X-ray射線透視的原理是利用不同位置材料的吸收率和折射率差異測樣品內(nèi)部缺陷，探查線鍵和外部的焊接情況。開封檢測是一種破壞性的檢測方式，只是一種去除手段，如需進一步檢測需要配合光學(xué)顯微鏡、電學(xué)顯微鏡和光譜儀進行?？煽啃栽囼炇侵冈跓?、濕、電、機械應(yīng)力等不同條件下測試LED完成規(guī)定功能的能力，快速評測產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。

結(jié)語

綜上，大功率LED應(yīng)用領(lǐng)域越來越復(fù)雜，環(huán)境條件越來越苛刻，對LED的可靠性要求越來越高，未來失效的概率還將大幅提升，需要做好檢測工作，定位失效部位，排查原因所在。