人體汗液作用下LED芯片的失效機(jī)理

金豫浙,傅春花,夏煒煒

(1.揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院,揚(yáng)州 225128;2.揚(yáng)州中科半導(dǎo)體照明有限公司,揚(yáng)州 225009)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,半導(dǎo)體光電子器件已經(jīng)滲透到照明、顯示、生物醫(yī)學(xué)及人體可穿戴領(lǐng)域[1-3]。為實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián),半導(dǎo)體器件在人類活動中已不可或缺,同時(shí)人們對半導(dǎo)體器件的要求也不斷提高,質(zhì)量、成品率、性能無一不是行業(yè)追求的目標(biāo)[4]。但半導(dǎo)體器件在生產(chǎn)制備、轉(zhuǎn)移、清洗過程中都存在來自于人員、機(jī)器、物料、環(huán)境等的污染,這些污染會直接影響成品的質(zhì)量、良率、性能等,給工廠、用戶造成困擾和經(jīng)濟(jì)損失。例如,在LED芯片使用過程中,固晶烘烤后經(jīng)常發(fā)生電極黏污,且污染物來源十分復(fù)雜,如固晶膠殘留,人員操作污染,含羥基,烴基交聯(lián)劑殘留物與電極污染物發(fā)生化學(xué)吸附、靜電吸附,人體汗液污染,灰塵顆粒污染等等。芯片電極作為連接電源電壓驅(qū)動的最主要的功能部件,其失效會直接影響器件的性能和使用功能。

隨著電子元器件微型化和集成化發(fā)展,光電二極管作為主要電子元件,近年來相關(guān)光電顯示及傳感器作為拓展個(gè)性化人體近景娛樂、運(yùn)動及健康管理的可穿戴關(guān)鍵元件,其應(yīng)用形式已被人們廣泛關(guān)注[5],但關(guān)于人體相關(guān)應(yīng)用的失效模式研究報(bào)道較少。人體汗液構(gòu)成了最主要的體表環(huán)境,因此分析汗液對器件的影響具有重要意義。

本工作分析了LED芯片表面鹵素污染的失效原因,結(jié)合掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能譜(EDS)對失效芯片表面的不同位置進(jìn)行初步分析和探索,并對優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和工藝的芯片進(jìn)行了人體汗液的模擬污染試驗(yàn),分析了試驗(yàn)后芯片的外觀、電極推力大小和電學(xué)特性的變化,確認(rèn)了汗液中鹵素氯離子的遷移導(dǎo)致鋁層的電化學(xué)腐蝕,最終引起電極脫落和芯片的失效。

1 試驗(yàn)

本工作包括失效分析和模擬試驗(yàn)兩部分,所用LED芯片為目前最常見的白光用藍(lán)光正裝結(jié)構(gòu)芯片,尺寸250 μm×750 μm,電極直徑65 μm。如圖1所示,產(chǎn)業(yè)界一般將接觸層金屬厚度減薄至200 nm以下,鋁層的厚度為20 000～40 000 nm以兼顧芯片的電壓和電極的反射率。本工作針對封裝端反饋有異常的樣品(即燈珠半成品),采用Hitachi S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行微觀形貌觀察,采用X射線能譜分析(EDS)進(jìn)行成分分析。

(a) 芯片剖面結(jié)構(gòu)示意圖

(b) P/N-Pad結(jié)構(gòu)示意

模擬試驗(yàn)通過模擬人體汗液對芯片的污染,再現(xiàn)電極脫落現(xiàn)象。芯片選用兩組(A組和B組)含鋁反射電極[6]LED芯片:A組電極的結(jié)構(gòu)及工藝與封裝端反饋的異常試樣一致,B組電極的結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行了優(yōu)化,其接觸層Cr(鉻)厚度是A組的1倍,為300 nm,其他各層金屬厚度不變；此外,電子束蒸發(fā)時(shí)Cr(鉻)和Al(鋁)的蒸發(fā)速率為A組的1/2,分別為5 nm/s和20 nm/s。模擬試驗(yàn)主要用到燒杯,量筒,玻璃棒,烘箱,金絲球焊線機(jī),Dage 4000推拉力測試儀,金相顯微鏡。因汗液主要成分為水,還有鈉、鉀、氯、鎂、鈣、磷等元素,根據(jù)ISO 3160-2—2003標(biāo)準(zhǔn),模擬人體汗液配方為:氯化鈉(NaCl)20 g/L、氯化銨(NH4Cl)17.5 g/L、尿素(CO(NH2)2)5 g/L、醋酸(CH3COOH)2.5 g/L、乳酸(C3H6O3)15 g/L。根據(jù)需求最終調(diào)節(jié)試驗(yàn)溶液(模擬人體汗液)pH為4.92[7]。

用玻璃棒攪拌試驗(yàn)溶液,并滴定到已固晶打線的兩種電極結(jié)構(gòu)的芯片表面,放入烘箱100 ℃烘干5 min,最后放入恒溫30 ℃烘箱分別保溫2,4,8 h。取出對比芯片性能,測試電極推力并觀察外觀,統(tǒng)計(jì)芯片P電極/N電極的失效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 異常樣品的失效分析

圖2是封裝端污染的異常芯片樣品的SEM形貌。因異常樣品為半成品未封膠燈珠,未使用化學(xué)法進(jìn)行Decap(開蓋)處理,避免了化學(xué)試劑對芯片的二次污染,故分別對圖2中電極底部區(qū)域(BOT部分)和電極外部區(qū)域(O/S部分)進(jìn)行EDS分析。

圖2 污染芯片的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of contaminated chip

由圖2可見:芯片表面呈現(xiàn)局部塊狀污染,已焊線Pad出現(xiàn)脫落。由表1可見:脫落電極底部含氯,且在電極以外區(qū)域中Na、K、Cl等元素。污染物含Na、K、Cl且Cl含量較高,一般情況含Na、Cl元素的污染主要來自于人體汗液。且電極底部區(qū)域只檢測到Cl元素,這可能是氯離子在電極中鋁的引導(dǎo)下進(jìn)行離子遷移的結(jié)果。雖然鋁層極易在液體或空氣中與氧氣成鈍化層Al2O3保護(hù)膜,但在鹵素陰離子存在的環(huán)境中,陰離子會在鈍化層邊緣或內(nèi)部材料缺陷處發(fā)生點(diǎn)蝕[8-9]。在水和氯化物環(huán)境中,鋁電極層的腐蝕過程將出現(xiàn)Al(OH)Cl+和Al(OH)2Cl的堿式氯化物鹽[10],反應(yīng)過程如下:

H2O→OH-+H+

(1)

Al→Al3++3e

(2)

Al表面快速電離生成Al3+,式(1)和(2)的總反應(yīng)為:

Al+H2O→Al(OH)2++H++3e-

(3)

鋁電極層在氯離子的作用下不斷發(fā)生電化學(xué)侵蝕,形成無數(shù)個(gè)腐蝕微電池,生成Al(OH)Cl+和Al(OH)2Cl,見式(4)和(5)。

Al(OH)2++Cl-→Al(OH)Cl+

(4)

Al(OH)Cl++H2O→Al(OH)2Cl+H+

(5)

表1 電極不同區(qū)域的EDS分析結(jié)果Tab.1 EDS aralysis results of the electrode at different regions

2.2 模擬驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)封裝端失效現(xiàn)象,為加強(qiáng)電極的耐蝕性,將芯片電極結(jié)構(gòu)與工藝進(jìn)行優(yōu)化,并作為模擬試驗(yàn)的對比組B。對比原工藝組A和優(yōu)化后組B在人體汗液環(huán)境中不同時(shí)間后的失效情況,測量了芯片電極的推力值、工作電壓等參數(shù)。如表2所示,隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長,兩組試樣發(fā)生P/N電極失效的概率基本相當(dāng),且總體來說,P極失效概率略高與N級,推測為P/N電極邊緣的接觸介質(zhì)不同導(dǎo)致的。如同1(a)所示,P電極周圍需要接觸金屬氧化物ITO薄膜,ITO易與酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成腐蝕孔洞,同時(shí)表面PSV鈍化層材料為PECVD(等離子體增強(qiáng)化學(xué)的氣相沉積法)沉積的二氧化硅薄膜,氧化硅的多孔性易于吸附水汽導(dǎo)致污染離子滯留[11]。

由圖3可見:兩組試樣試驗(yàn)不同時(shí)間后,都表現(xiàn)出芯片工作電壓升高和完全失效的現(xiàn)象,B組試樣具有更低的失效率,試驗(yàn)8 h后的失效率為25%,低于A組試樣(45%)。從圖4中發(fā)現(xiàn)P電極底部會出現(xiàn)腐蝕小坑洞,腐蝕坑洞會減少電極底部與外延層表面接觸,導(dǎo)致電極黏附力降低。推測金屬擴(kuò)展電極底部也存在同樣現(xiàn)象,導(dǎo)致擴(kuò)展電極與ITO層接觸異常,引起芯片工作電壓的升高。一般情況下,芯片電壓的升高是因?yàn)榇箅娏飨陆饘黉X電遷移引起金屬疲勞。對比兩組試樣的失效現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)在酸性及鹵素離子作用下,芯片電極中金屬鋁產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕,引起工作電壓升高。由圖5可見:隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長,兩組試樣的推力值都明顯降低,初始2 h,B組試樣的推力均值略高于A組試樣,隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長,A組試樣提前出現(xiàn)推力值小于10 g(推力值大于25 g為合格)的情況,B組試樣的推力值也有所降低,且8 h之后兩組試樣的失效率都明顯增加。雖然B組試樣因具有更厚的接觸層及更低的材料生長速率,其電極的黏附力得到改善,試驗(yàn)2 h的推力值有所增大,但經(jīng)過8 h試驗(yàn)后,B組試樣的芯片仍會出現(xiàn)極低的電極推力,且整體電極推力值都降低。

表2 A/B組試樣經(jīng)過不同時(shí)間試驗(yàn)后的P/N失效統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Statistical results of P/N failures of group A/B samples after different time tests

(a) A組試樣

(b) B組試樣

(a) 芯片外觀

(b) P-Pad背面OM

(a) A組試樣

(b) B組試樣

3 結(jié)論

通過對含鋁反射電極的芯片污染失效現(xiàn)象進(jìn)行分析,結(jié)合SEM/EDS的成分分析結(jié)果,推測這是由于人體汗液污染,且鹵素氯離子的離子遷移會導(dǎo)致電極底部黏附力降低,進(jìn)而發(fā)生電極脫落。利用人工配制的人體汗液,對優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)后的芯片進(jìn)行模擬汗液污染的對比試驗(yàn),分析了不同芯片電極結(jié)構(gòu)在污染不同時(shí)間后的失效率及現(xiàn)象。結(jié)果表明:經(jīng)過電極工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,芯片的可靠性有所提升,但長時(shí)間作用下仍會出現(xiàn)較高的失效率,含鋁反射電極的芯片屬于電化學(xué)敏感元件,類似人體汗液的滲透或者吸附會引起器件的致命性失效。

基于以上結(jié)果,為保證生產(chǎn)過程中的質(zhì)量,以及用戶端的使用穩(wěn)定性,整個(gè)芯片及封裝的生產(chǎn)制造過程須要確保工作人員正確佩戴防護(hù)手套,嚴(yán)格管控,避免人體的直接接觸。同時(shí)在封裝時(shí),須保證封裝膠體絕對的氣密性,并開發(fā)高反射、耐腐蝕的電極結(jié)構(gòu)體系,以滿足相關(guān)領(lǐng)域高可靠性的應(yīng)用條件。

本工作未討論人體汗液中醋酸、乳酸、尿素、氯化鈉等在其他成分對電極的侵蝕作用,后續(xù)可以進(jìn)行深入的研究探索,以便開發(fā)更適合人體穿戴的光電子功能器件。