關(guān)于RGB芯片解離失效探討

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.010

摘? 要：隨著LED RGB戶外亮化工程的發(fā)展，戶外顯屏應(yīng)用不斷擴(kuò)大。城市夜景變得更加璀璨多姿，也成為各城市宣傳名片。大量RGB戶外應(yīng)用增添了城市色彩的同時(shí)，潛藏的問題也陸續(xù)暴發(fā)。終端應(yīng)用在使用半年或1年后，發(fā)生個(gè)別LED燈珠不亮，影響整體視覺效果。暗燈是最常見失效模式，其中芯片受損是導(dǎo)致暗燈的主要因素。文章主要論述芯片失效產(chǎn)生的原理和檢測(cè)方法，及如何提升芯片抗?jié)裉匦浴?/p>

關(guān)鍵詞：RGB;解離;水汽;Passivation;暗燈

中圖分類號(hào)：TN312? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）09-0035-04

Discussion on Dissociation Failure of RGB Chip

XIE Bingzhang

（Episky Corporation（Xiamen）Ltd.，Xiamen? 361101，China）

Abstract：With the development of LED RGB outdoor lighting project，the application of outdoor display screen is expanding. The night view of the city has become more dazzling and colorful，and it has also become the business card of various cities. While a large number of RGB outdoor applications add to the citys colors，hidden problems are also emerging one after another. The terminal application has been used for more than half a year or more than a year，and individual LED lamp beads do not light up，which affects the overall visual effect. Dim light is the most common failure mode，in which chip damage is the main factor leading to dim light. This paper mainly discusses the principle and detection method of chip failure，and how to improve the chips anti-humidity characteristics.

Keywords：RGB;dissociation;moisture;Passivation;dim light

0? 引? 言

隨著城市化不斷推進(jìn)，現(xiàn)如今各城市都十分重視城市夜景亮化，比如廣場(chǎng)夜景，建筑夜景，園林夜景，道路橋梁亮化，戶外廣告等。大量LED RGB應(yīng)用的增加，使用出現(xiàn)的問題也就更突出了。其最常見的就是單一封裝體不亮，導(dǎo)致大屏幕顯示壞點(diǎn);戶外燈條個(gè)別點(diǎn)不亮，影響整效果。如何提升產(chǎn)品使用壽命，LED芯片失效所因?yàn)楹?，如何提高產(chǎn)品抗?jié)裉匦允钱?dāng)下RGB戶外應(yīng)用面臨的難題。

1? RGB芯片失效分析

失效樣本，需先剝離封裝膠及環(huán)氧樹脂。常用剝離方法有機(jī)械研磨，化學(xué)藥水溶解兩種。為最大限度保護(hù)芯片本身，一般會(huì)先使用機(jī)械研磨一定厚度，觀察芯片外觀狀況，再進(jìn)行下一步溶解取出芯片。最后再對(duì)芯片外觀，光電特性進(jìn)行分析。

1.1? 芯片封裝影響

一般封裝后芯片跟外界是完全隔離的，只能通過導(dǎo)線跟電源聯(lián)通。那么芯片失效如果不是因焊線脫落，就是外界物質(zhì)侵入導(dǎo)致反應(yīng)破壞^[1]。異常封裝體用紅藥水長時(shí)間浸泡后看封裝體外觀，也可以加壓方式來縮短驗(yàn)證時(shí)間。RGB封裝體如圖1所示，在常壓下浸泡紅藥水20 h后外觀，可以很明顯看到紅藥水已滲入到封裝體內(nèi)。氣密性不佳，導(dǎo)致水汽侵入是封裝體常見失效模式。

圖1? 封裝體外觀圖

封裝材料中不管采用何種生產(chǎn)工藝，在環(huán)氧的生產(chǎn)過程中由于環(huán)氧氯丙烷的參與會(huì)引入氯元素，均會(huì)產(chǎn)生鹽和水。后期雖然采用水洗法、溶劑萃取法或者溶劑法進(jìn)行后處理，但膠體中容易有氯殘留。各種副反應(yīng)以及水洗不完全而殘留的氯，可能會(huì)以氯離子或有機(jī)氯形式存在。這些殘留有機(jī)或者無機(jī)氯在燈珠的高溫密閉環(huán)境中會(huì)發(fā)生分解或揮發(fā)，形成活性氯，對(duì)支架鍍銀層、合金線、芯片電極（鋁反射層）或其他活潑金屬造成氯化腐蝕。雙酚A型環(huán)氧樹脂^[2]的反應(yīng)方程式如圖2所示。

1.2? 芯片失效原理

LED驅(qū)動(dòng)需要正偏電壓，另外因電源切換還有一定逆偏電壓存在，而有偏壓就存在電場(chǎng)，水汽在電場(chǎng)的作用下會(huì)解離H⁺、OH^-離子，另外因?yàn)楣に嚵鞒倘藛T手汗，口沫污染等導(dǎo)致其封裝體內(nèi)帶有氯離子。這些都為芯片發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)提供了條件，根據(jù)反應(yīng)條件我們把失效分為兩大類。

1.2.1? 普通水汽解離失效

RGB LED中藍(lán)綠LED主要材料為氮化鎵，紅光LED主要材料是磷化稼（含微量Al、In）。在純水環(huán)境中，Au氧化還原電位較高，不易產(chǎn)生Au離子遷移現(xiàn)象。P、N電極（PAD）氧化還原電壓差為1.68 V，模型如圖3所示。

氮化鎵在有水汽（moisture）的電場(chǎng)環(huán)境下，會(huì)發(fā)生2GaN+6h⁺+6OH^-→Ga₂O₃+3H₂O+N₂導(dǎo)致氮化鎵發(fā)光層破壞^[3]。另外目前LED廣泛使用ITO作為透明導(dǎo)電膜材料，在水汽電場(chǎng)下，ITO膜在陽極和陰極極化時(shí)的電化學(xué)腐蝕行為，ITO中的In氧化物發(fā)生氧化還原，變成金屬。模擬ITO還原機(jī)制，發(fā)現(xiàn)ITO氧化還原后變成顆粒狀態(tài)，對(duì)應(yīng)顆粒狀元素分析，發(fā)現(xiàn)其失去了O^[4]。

1.2.2? 水汽&鹵素元素解離失效

RGB LED電極結(jié)構(gòu)含有活性強(qiáng)Al，活性差的Cr、Au等。鹵素元素影響中最常見的就是來自氯（主要來源于人的口沫、手汗等）的影響。當(dāng)濕氣環(huán)境中含有鹵素存在，會(huì)造成Au氧化還原電位降低，P、N電極電位差降為0.93 V;Au ions（金離子）就開始產(chǎn)生，容易發(fā)生Au migration的電化學(xué)反應(yīng)。其失效模型如圖4所示。

在濕氣環(huán)境下，有流動(dòng)金屬離子存在（Au→Au²⁺+2e^-），高電位差這些導(dǎo)致了ECM（電化學(xué)遷移）現(xiàn)象。ECM的特征是金屬離子在相鄰金屬導(dǎo)體之間移動(dòng)，從而形成樹枝狀晶體，如圖5所示。

金屬離子是由高電位向低電位遷移，當(dāng)逆偏電壓為主要影響時(shí)，N電極上Au離子，遷移到P電極，并逐漸解離向N方向生產(chǎn)，類似樹枝狀。直到P、N串起來失去電位差，ECM就停止發(fā)生。反之當(dāng)正偏電壓為主要影響時(shí)，P電極Au離子向N電極移動(dòng)，如圖6所示。

除了Au會(huì)存在解離外，當(dāng)芯片表面保護(hù)層被破壞，電極中的Cr、Al也會(huì)存在解離現(xiàn)象。比如PAD反射層被氯破壞（2Al+6HCl→2AlCl₃+3H₂;AlCl₃+3H₂O→Al（OH）₃+ 3HCl）。

2? 常用失效檢驗(yàn)方法

判斷產(chǎn)品的抗?jié)裥阅芎蜌饷苄运?，常見的方法有鹽霧測(cè)試、人工汗液浸泡、高溫高濕燒測(cè)、紅藥水浸泡等等。下文主要介紹鹽霧測(cè)試、高溫高濕測(cè)試、針刺浸泡測(cè)試三種檢驗(yàn)方法。

2.1? 鹽霧測(cè)試

測(cè)試對(duì)象可以是封裝體，PCB板上芯片（蓋上硅膠或是環(huán)氧樹脂）。測(cè)試溫度30 ℃～50 ℃;鹽水濃度：5%±1%鹽，95%純水;pH酸堿度6.4～7.3間;噴霧量ml/80 cm2/h，差不多每小時(shí)1 ml～2 ml^[5]。目前判定方法就是看48 h后前后VF衰減比例。此檢驗(yàn)方法可以有效檢驗(yàn)封裝氣密性，同時(shí)也可以檢驗(yàn)芯片抗?jié)衲芰λ疁?zhǔn)。此方式對(duì)儀器控制較嚴(yán)苛，一般由專業(yè)分析廠商測(cè)試。委外測(cè)試費(fèi)用較高，時(shí)程也較長，歐美大廠較多使用此來判定產(chǎn)品水準(zhǔn)。國內(nèi)廠商目前使用還相對(duì)較少。

2.2? 高溫高濕測(cè)試

烤箱溫度控制50 ℃～80 ℃，濕度55%～85%，LED芯片固定于PCB板上，可以分蓋膠和更嚴(yán)苛的不蓋膠。驅(qū)動(dòng)電壓-5 V～-10 V也可以用正偏壓。燒測(cè)96 h，168 h或是更久，看VF、IV衰減比例，>±5%，基本會(huì)判定NG。當(dāng)然也可以用加濕器內(nèi)的水改用加一定比例鹽水，檢驗(yàn)條件更嚴(yán)苛。當(dāng)然對(duì)于烤箱本身隔離效果跟配件保護(hù)要求更高。

2.3? 針刺浸泡測(cè)試

這個(gè)主要是對(duì)芯片本身抗?jié)裥阅軠y(cè)試，用探針分別接通P，N電極。用電源提供正或逆偏壓（-3.5 V～-6 V），限定電流（15 μA～35 μA）;芯片浸泡純水，或鹽水（0.1%～5%）。在指定時(shí)間內(nèi)其前后VF衰減比例<2%。此方法相較簡單，可以有效避免因焊線工藝偏差導(dǎo)致芯片電極保護(hù)失效。如圖7純水汽破壞外觀，如圖8水汽加鹵素破壞外觀。

3? 提升RGB芯片抗?jié)裥阅芙鉀Q方案

3.1? 封裝過程改善方案

封裝制程主要分固晶、焊線、蓋膠、切割、分選、包裝入庫。封裝材料中固晶膠，封裝膠等材料導(dǎo)入前需確認(rèn)材料成分是否含有超標(biāo)氯元素。支架在使用前建議進(jìn)行氬離子或使用有機(jī)溶劑以超聲波清洗。蓋膠前作業(yè)人員佩戴手套，口罩，發(fā)帽;盡可能不直接碰觸產(chǎn)品。蓋膠過程中Particle環(huán)境控制蓋膠前氬離子處理，以及監(jiān)控離子清潔能力^[6]是管控封裝過程中芯片污染的關(guān)鍵點(diǎn)。蓋膠過程中溫差控制（封裝膠&支架芯片），避免后續(xù)芯片點(diǎn)亮后因溫度上升，兩種材料膨脹超限導(dǎo)致氣密性不足^[7]。支架切割過程中刀片的冷卻，切割用水建議使用RO或DI水，自來水中含有大量氯元素，殘留于分裝體就有可能導(dǎo)致后續(xù)產(chǎn)品使用壽命下降。

3.2? 芯片制程改善方案

RGB芯片大部分終端應(yīng)用驅(qū)動(dòng)電流不大10 mA以下，亮度要求不高，對(duì)應(yīng)芯片制程并不復(fù)雜。芯片制程主要為Mesa;CB;ITO;BP;PV3～5道制程。失效常表現(xiàn)于發(fā)光區(qū)受損，P，N電極串聯(lián)，電極解離Peeling等。

3.2.1? 保護(hù)膜層

SiO2因其可見光穿透率高，藍(lán)綠芯片基本都用SiO₂;SiO₂使用PECVD沉積，較PVD鍍膜成膜均勻性更高，致密性也更佳，鍍膜堆疊也好于物理鍍膜。從失效樣本分析中發(fā)現(xiàn)存在SiO₂受損，安排不同膜厚同一測(cè)試條件下，膜厚越厚其抗?jié)裥阅茉胶?。采用ALD沉積SiO₂，利用其良好的step coverage，膜致密性，同膜厚下也表現(xiàn)出更優(yōu)的抗?jié)裥阅?sup>[8]。另外氮化硅，Al₂O₃也有較好抗?jié)裥阅?，但因其穿透率不如SiO₂，影響出光效率，除非倒裝芯片外，其他應(yīng)用偏少。

3.2.2? 電極結(jié)構(gòu)

電極是連接芯片與外部電源的橋梁。電極材料涉及Au、Ti、Al、Cr等，其中Al是活性金屬，容易被反應(yīng)。在電極制程中常選擇惰性強(qiáng)的金屬來保護(hù)Al，利用鍍膜溫度差異，光刻膠伸張?zhí)匦?，讓后續(xù)鍍膜材料保護(hù)前一層。當(dāng)然也可以使用二次鍍膜，利用光罩設(shè)計(jì)尺寸差異達(dá)到完全保護(hù)作用。對(duì)應(yīng)生產(chǎn)成本會(huì)明顯增加。電極結(jié)構(gòu)活性金屬層越少，其抵抗受外界攻擊能力也越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)也會(huì)犧牲芯片性能。改善鈍化層與電極中Au附著，也能夠很好保護(hù)電極。但因封裝焊線焊點(diǎn)偏差，機(jī)臺(tái)穩(wěn)定性差異，電極上保護(hù)層易被破壞。電極跟焊球直接差異越大被破壞比例越低，近三年失效樣本統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，電極跟焊球直徑差異<10 μm，電極保護(hù)層被破壞比例>60%。

3.2.3? 芯片設(shè)計(jì)

目前藍(lán)綠芯片都是采用P、N同平面的水平結(jié)構(gòu);紅光芯片多為P、N上下的垂直結(jié)構(gòu)。單純考慮芯片失效影響，正、逆偏壓均會(huì)影響藍(lán)綠芯片;紅光芯片因其中一個(gè)電極埋于固晶膠內(nèi)，不受逆偏壓影響。根據(jù)Au migration原理，P、N極最終會(huì)串聯(lián)失效。因藍(lán)綠芯片都是水平結(jié)構(gòu)，所以需將N-氮化鎵蝕刻出來。除了P、N電極裸露無法避免，N-氮化鎵走道也需保護(hù)起來，N-氮化鎵蝕刻到襯底用鈍化層保護(hù)起來如圖9所示（PV：鈍化保護(hù)層）。

目前提升芯片抗?jié)衲芰?，也只能延緩芯片本身失效時(shí)間，無法徹底解決Au migration問題。

4? 結(jié)? 論

綜上，目前RGB芯片解離失效根源是其發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。要避免解離發(fā)生，芯片端可以由傳統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)改為倒裝結(jié)構(gòu)，電極由Au材料改為不會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)材質(zhì)（Ti、W等），新材料應(yīng)用最大挑戰(zhàn)就是封裝如何焊線。封裝端尋找新的、具低膨脹系數(shù)、高氣密性和高化學(xué)穩(wěn)定性的材料取代現(xiàn)有環(huán)氧樹脂，進(jìn)一步提升封裝氣密性。只有突破上述兩個(gè)問題的其中一個(gè)，芯片解離問題才有機(jī)會(huì)徹底改善。

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作者簡介：謝冰璋（1982—），男，漢族，福建龍巖人，中級(jí)工程師，本科，研究方向：LED芯片制程改善與產(chǎn)品性能提升。

收稿日期：2021-04-02