移動(dòng)通信用片式藍(lán)、白光LED器件可靠性探討

吳美華

藍(lán)、白光片式LED器件是當(dāng)今半導(dǎo)體光源的寵兒，用作移動(dòng)通信工具的顯示光源更是一種時(shí)尚。自從1992年第1只氮化鎵（GaN）基藍(lán)色發(fā)光二極管問(wèn)世后，其壽命和可靠性一直被世人所關(guān)注。GaN LED行業(yè)由于美、日等國(guó)的瘋狂投入，其發(fā)展之迅速、成果之驚人，眾所周知。我國(guó)在這方面做了大量的工作，取得了巨大的進(jìn)展。早在20世紀(jì)90年代末，傳統(tǒng)封裝的藍(lán)光器件已形成大規(guī)模生產(chǎn)，白光LED也已形成產(chǎn)業(yè)，工藝已基本成熟。伴隨移動(dòng)通信的發(fā)展，新型封裝的片式LED也迅速擴(kuò)展。對(duì)傳統(tǒng)LED器件的可靠性的測(cè)評(píng)、失效模式的分析，已基本形成較固定的模式，傳統(tǒng)封裝的藍(lán)、白光LED器件的可靠性也已有很多探討。而對(duì)于移動(dòng)通信用片式藍(lán)、白光LED器件的可靠性測(cè)評(píng)、失效模式的預(yù)測(cè)則是一個(gè)新的領(lǐng)域，在這方面也有很多科研機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)廠家作過(guò)研究，并有一些報(bào)道。本文介紹了筆者所在公司對(duì)藍(lán)、白光片式LED器件的可靠性測(cè)評(píng)方案及試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合筆者公司在藍(lán)、白光片式LED器件可靠性方面作的一些探索，談?wù)剬?duì)移動(dòng)通信用片式藍(lán)、白光LED器件可靠性測(cè)評(píng)方案及試驗(yàn)情況、可靠性的影響因素及保證措施，與同行共同探討。

1 產(chǎn)品可靠性的概念

產(chǎn)品的可靠性是指產(chǎn)品在使用過(guò)程中盡量不出故障、少出故障的一種特性，是產(chǎn)品質(zhì)量的時(shí)間指標(biāo)。用戶(hù)不僅希望產(chǎn)品具有良好的功能，而且希望產(chǎn)品經(jīng)久耐用，長(zhǎng)時(shí)間保持其功能，不發(fā)生故障或很少發(fā)生故障，這種功能的持續(xù)能力就是可靠性?？煽啃酝ǔ６x為產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。由于功能的持續(xù)能力具有概率統(tǒng)計(jì)特性，因此可靠性也可以定義為產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。

2 產(chǎn)品可靠性的實(shí)現(xiàn)途經(jīng)

通常所說(shuō)的產(chǎn)品可靠性是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理出來(lái)的，是通過(guò)“試驗(yàn)—分析—改進(jìn)”的循環(huán)過(guò)程而不斷提高和不斷增長(zhǎng)的。設(shè)計(jì)階段是產(chǎn)品可靠性的奠基階段，生產(chǎn)階段是產(chǎn)品可靠性的保證階段，對(duì)產(chǎn)品的試驗(yàn)、分析與改進(jìn)是產(chǎn)品可靠性的改進(jìn)和提高階段。

通常，可靠性設(shè)計(jì)措施包括：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、可靠性工藝設(shè)計(jì)、可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)等。為實(shí)現(xiàn)并保證移動(dòng)通信用片藍(lán)、白光片式LED器件的可靠性，從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，分析研究移動(dòng)通信用片藍(lán)、白光片式LED器件的可靠性指標(biāo)，進(jìn)行產(chǎn)品故障模式、影響及危害性分析，對(duì)該類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝配方式、光電參數(shù)性能、材料、工藝方案、試驗(yàn)方案等設(shè)計(jì)，編制了產(chǎn)品可靠性大綱，制定了可靠性工作計(jì)劃，并對(duì)產(chǎn)品所用零部件和原材料選擇和可靠性關(guān)鍵過(guò)程進(jìn)行控制。為確定適合移動(dòng)通信用藍(lán)、白光LED器件并能保證可靠性，在試制、生產(chǎn)階段對(duì)不同的方案進(jìn)行對(duì)比分析并進(jìn)行多批次可靠性試驗(yàn)。

3 產(chǎn)品可靠性工作計(jì)劃

為確保移動(dòng)通信用片式藍(lán)、白光LED器件可靠性，根據(jù)移動(dòng)通信用藍(lán)、白光片式LED器件的特點(diǎn)，制定了可靠性工作計(jì)劃，如表1所示。

4 可靠性試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)多年傳統(tǒng)LED及藍(lán)、白光LED器件的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、片式封裝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及移動(dòng)通信工具的使用特點(diǎn)，對(duì)移動(dòng)通信用片式藍(lán)、白光LED器件設(shè)計(jì)了可靠性試驗(yàn)方案并進(jìn)行了可靠性測(cè)評(píng)試驗(yàn)，見(jiàn)表2。

按照試驗(yàn)方案進(jìn)行了多次可靠性試驗(yàn)，上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，藍(lán)、白光片式LED具有良好的可靠性，完全能滿(mǎn)足移動(dòng)通信工具的使用要求。

5 影響藍(lán)、白光片式LED可靠性的因素及保證措施

目前SMD系列LED器件的用片式LED器件的結(jié)構(gòu)主要為印刷電路板（PCB）片式LED，主要規(guī)格有0603，包括紅、綠、黃、藍(lán)、白等各種顏色。具有體積小、散射角大、發(fā)光均勻好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。由于片式LED產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的微小、超薄化及藍(lán)、白光芯片的特殊性，因此其可靠性主要決定于芯片的質(zhì)量、PCB板的設(shè)計(jì)極其材料的選擇與質(zhì)量、裝配質(zhì)量、采取的靜電防護(hù)措施等，其他裝配材料的質(zhì)量對(duì)其可靠性也有影響。藍(lán)色芯片的光衰也影響到LED器件的使用壽命，但經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析，這種光衰能滿(mǎn)足移動(dòng)通信工具的使用壽命要求。下面分析影響藍(lán)、白光片式LED可靠性的因素及保證措施。

5.1 芯片

藍(lán)光片式LED采用GaN基藍(lán)色芯片，白光則采用藍(lán)芯通過(guò)加入YAG黃色熒光粉轉(zhuǎn)換顏色而成。由于目前LED藍(lán)色芯片絕大部分都是由三氧化二鋁（AL2O3）+GaN基制成的，硬度特別大，難解理，大片切割成芯片，其各邊側(cè)面一般都很粗糙，對(duì)裝配質(zhì)量將造成一定影響，且易漏電同時(shí)由于藍(lán)芯材料及工藝特點(diǎn)，其電極形狀及光刻質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品的漏電、擊穿影響較大。因此，在選用藍(lán)色芯片時(shí)，選用側(cè)面切割相對(duì)光滑、電極刻蝕形狀好、電極間距離相對(duì)合理的芯片。為慎重起見(jiàn)，筆者所在公司選擇了在藍(lán)色芯片研發(fā)、制造方面處于領(lǐng)先地位的公司生產(chǎn)的多種型號(hào)的藍(lán)色芯片進(jìn)行試驗(yàn)。由于各廠商在MOCVD生長(zhǎng)形成的P-N結(jié)及發(fā)光效率等差異，從對(duì)進(jìn)料的近十個(gè)廠商的芯片檢驗(yàn)和工藝驗(yàn)證、試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，質(zhì)量水平差別較大，如反向電流、正向壓降、波長(zhǎng)、光強(qiáng)的一致性，芯片的抗靜電能力強(qiáng)弱不一等。通過(guò)多批次的驗(yàn)證比較，筆者公司對(duì)藍(lán)芯供應(yīng)商進(jìn)行了優(yōu)選確定，當(dāng)然每批芯片還需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的鏡檢和工藝驗(yàn)證。

5.2 PCB板

由于片式LED結(jié)構(gòu)的微型化，PCB板的制造精度、鍍層、表面質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品可靠性有至關(guān)重要的影響。有產(chǎn)品分析資料顯示，在生產(chǎn)過(guò)程中有些產(chǎn)品的失效是芯片裝配及焊線偏位所致，經(jīng)分析即為PCB板精度問(wèn)題。為了保證PCB板質(zhì)量，筆者公司采用進(jìn)口PCB板，并選取模具制作能力強(qiáng)的企業(yè)開(kāi)模，同時(shí)對(duì)供應(yīng)商提出了PCB板的質(zhì)量要求：厚度均勻度<±0.05mm；鍍層光亮牢固，經(jīng)金線鍵合后拉力大于8g等，此要求在PCB板進(jìn)貨時(shí)即進(jìn)行檢驗(yàn)并上線試用。

5.3 其他裝配材料

除芯片、PCB板外，其他裝配材料如銀漿、金絲、膠餅、熒光粉也很重要。雖然說(shuō)這些材料對(duì)器件的質(zhì)量壽命、可靠性帶來(lái)的影響相對(duì)較小，但為了保證片式藍(lán)、白光LED的質(zhì)量水平，筆者公司所使用的銀漿、金絲、膠餅、YAG熒光粉（555nm）等主要材料全部采用進(jìn)口，且也是目前普遍認(rèn)為質(zhì)量能符合器件要求的。

5.4 裝配工藝

目前片式藍(lán)、白光LED器件普便采用全自動(dòng)設(shè)備生產(chǎn)、檢測(cè)，因此對(duì)設(shè)備的正確使用、維護(hù)和生產(chǎn)時(shí)設(shè)備工作狀態(tài)控制非常重要。設(shè)備在引進(jìn)安裝及使用前，需對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行操作維護(hù)培訓(xùn)，并制定設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)規(guī)定及責(zé)任制。經(jīng)工藝技術(shù)人員多次摸索，各種型號(hào)片式LED產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)設(shè)備的操作要求已制定并形成了作業(yè)指導(dǎo)文件，操作人員按其操作，并記錄設(shè)備工作時(shí)的變化情況，及時(shí)分析調(diào)整，確保裝配的一致性及穩(wěn)定可靠性。在片式藍(lán)、白光LED生產(chǎn)過(guò)程中，各主要工序均設(shè)置了檢驗(yàn)點(diǎn)，關(guān)鍵工序設(shè)置了質(zhì)量控制點(diǎn)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題，及時(shí)分析處理，確保各工序質(zhì)量受控。

5.5 靜電防護(hù)

GaN基藍(lán)色芯片因其正、負(fù)極均位于芯片上面，間距小，對(duì)于InGaN/ Al、GaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)，InGaN活動(dòng)薄層僅幾十納米，靜電承受能力相對(duì)較弱，極易靜電擊穿，使器件失效。因而靜電防護(hù)不當(dāng)將直接影響產(chǎn)品的可靠性。在片式藍(lán)、白光LED生產(chǎn)線采取了如下防靜電措施：①防靜電地面、臺(tái)墊、離子風(fēng)扇、手腕、包裝袋、盒等；②設(shè)備接地；③制定防靜電管理規(guī)定，對(duì)防靜電設(shè)施進(jìn)行檢測(cè)、使用等管理。

6 結(jié)語(yǔ)

移動(dòng)通信用片式LED作為一種新型器件，具有體積小、散射角大、發(fā)光均勻性好、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。通過(guò)選擇優(yōu)良的芯片、PCB板等材料，采取嚴(yán)格的裝配工藝、靜電防護(hù)等可靠性保證措施，其優(yōu)良的光電性能和可靠性已得到證實(shí)。片式LED作為一種新型器件，不僅可用于移動(dòng)通信，還可應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品，其市場(chǎng)前景十分廣闊。