LED常见失效模式与失效机理安国雨;席善斌;刘东月;彭浩;黄杰【摘要】发光二极管(LightEmittingDiodes,LEDs)由于具有长寿命、高能量转换效率、环境友好的特点而成为当今最受欢迎的照明解决方案之一,广泛应于显示屏、通讯、医疗器件以及普通照明产业.LED结构类似于半导体器件,但是由于其在性能、材料以及界面间的差异,又使得其具有特殊的失效模式和失效机理•本文针对LED常见失效机理和机理进行了讨论和分析,对应用可靠性给出了相关建议.期刊名称】《环境技术》年(卷),期】2018(036)001【总页数】7页(P38-44)【关键词】发光二极管;失效模式;失效机理;可靠性【作者】安国雨;席善斌;刘东月;彭浩;黄杰【作者单位】中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051;中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051;国家半导体器件质量监督检验中心,石家庄050051;中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051;国家半导体器件质量监督检验中心,石家庄050051;中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051;国家半导体器件质量监督检验中心,石家庄050051;中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051;国家半导体器件质量监督检验中心,石家庄050051【正文语种】中文【中图分类】TN406引言LED具有功率小、寿命长、发光效率高、对环境友好等特点而被广泛用于显示屏、通讯、医疗器件以及普通照明产业中。
随着全球能源的紧张，低功耗，高发光效率的显示、照明设备越来越受到重视,LED作为一种新型照明和显示系统，在其中起着不可替代的作用广领域、大面积的使用，对LED的可靠性提出了更高的要求，如何提高制造和使用可靠性逐渐受到关注和重视随着对LED可靠性的关注，LED的失效分析需求也显得愈来愈迫切失效分析是采用相关测试和分析技术，结合产品失效背景，通过一定的分析程序，对失效进行分析、推理和判断的过程，以明确失效机理，查找失效原因，提出改进措施分析失效模式和失效机理，对于正确认识LED的失效，采取有效方法提高其制造和使用的可靠性具有重要作用本文在LED结构和工作原理的基础上，重点梳理了LED常见的失效模式和失效机理，以期对相关工程人员提供参考1LED结构及工作原理以表面贴装（SMT）LED为例，典型的结构如图1所示，主要包括框架、透镜、芯片、芯片粘接剂、热沉、键合丝以及外引脚等框架结构用于支撑和保护LED整体结构，主要采用聚邻苯二甲酰胺（PPA）或液晶聚合物（LCP）等有机材料；呈圆球状的透镜位于框架上方，通常采用环氧树脂或硅树脂等树脂材料；作为LED核心的芯片主要是在蓝宝石、GaN、SiC、Si或GaAs上外延生长不同的材料构成，外延材料不同，发出光的颜色也会不同，如InGaN/AlGaN夕卜延层LED可以发出蓝光、绿光以及紫外范围的光，InAlGaP夕卜延层LED可以发出红光或黄光，AlGaAs夕卜延层LED则可以发出红光或红外范围的光；芯片粘接剂将芯片固定在热沉上，起机械固定和热传导作用，并根据电连接的需要来选择导电银浆粘接或环氧胶粘接［1］。
LED封装形式多样，市面常见LED封装形式如图2所示主要有①通孔安装(ThrouGHHoleTechnology，THT)，通孔安装形式是商用LED产品早期的—种圭寸装形式；②表面贴装(SurfaceMountedTechnology，SMT)，有时也表示为SMD，这种封装形式由THT封装发展而来，由于其体积更小，在显示屏等领域得到广泛应用；③PCB(PrintedCircuitBoard)封装，由于其面积较大，具有良好的散热性能，主要用于功率LED封装中；④草帽型LED，是最为常见的LED封装类型，具有重量轻、结构紧凑、安装方便的特点，由于其通过两个引脚来散热，故散热性较差，—般用于商场橱窗、广告牌、室内装饰等领域LED是一种可以将电能转化为光能并具有二极管特性的电子器件作为一种半导体电致发光器件，材料主要为m-v族化合物，典型的i-v特性曲线如图3所示，具有正向导通，反向截止直至击穿的与普通二极管类似的典型PN结特性PN结两端未加偏置电压时，PN结中无电流通过，具有统一的费米能级EF，内部处于热平衡状态；当施加正向偏置电压时，PN结的势垒下降，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区，这些注入的电子和空穴在PN结的空间电荷区发生复合，并将多余的能量以光的形式释放出来，光子穿过一定厚度的半导体材料向外辐射，形成光输出，从而观察到PN结发光。
2LED常见失效模式与机理芯片相关的失效缺陷在LED芯片中电子-空穴对的复合过程有两种：①辐射复合：产生光子；②非辐射复合：不产生光子，能量以其他形式散失辐射复合和非辐射复合示意图如图4所示，辐射复合过程中电子-空穴复合产生的能量以光子的形式释放；非辐射复合过程中电子-空穴复合产生的能量主要以声子的形式释放，声子会引起晶格原子振动，从而减少了复合过程中光子的产生［2-4］图1LED典型结构图2LED封装形式图3LED典型I-V特性在LED的发光过程中，两种辐射机理同时存在,LED靠电子与空穴的辐射复合发光，要提高器件的发光效率，必须尽量使非辐射复合所占比重更小引起LED有源层退化的主要机理是非辐射复合的增加，非辐射复合与外延层中的缺陷有关在高温或大电流下，缺陷会快速增长繁殖，形成大量非辐射复合中心，在该复合中心处更容易发生非辐射复合，此种复合中心也越多，则会有更多的复合载流子发生非辐射复合，使得能量以声子复合的形式释放，严重降低了光输出，导致LED发光强度下降［5］2.1.2芯片碎裂芯片、树脂、粘接剂、热沉以及芯片内部各材料层间热膨胀系数都不相同，急剧的温度变化会引起芯片碎裂LED在高电流密度驱动（过程产生大量焦耳热）或突然施加高温环境应力条件下，温度的迅速变化和材料之间热膨胀系数的差异，会导致LED封装内部产生较大的机械应力，当应力超过一定程度时，就会引起芯片机械损伤，导致内部产生如图5所示的芯片裂纹，其中（a）为芯片键合处裂纹，（b）为芯片粘接处裂纹。
2.1.3电迁移LED中高电流密度梯度的存在会引起金属互联结构内原子的定向迁移运动，产生显著质量输运，从而导致芯片互联结构上产生明显的空洞或金属晶须，发生电迁移失效［6］电迁移导致产生的内部空洞或金属晶须如图6所示，空洞的出现会使金属互联线变窄，使得线路电阻增加，严重时还会导致互联线完全断开，电路发生开路失效；定向生长的晶须则会跨接在相邻的互联线上，引起电路互联短路，最终导致电路功能失效［7］2.2内部互联相关的失效2.2.1键合引线断裂或疲劳LED中一般采用引线键合的方式将芯片与基板或外引脚互联当LED处于高的正向电流或脉冲峰值电流工作环境下，过电应力会导致键合引线电流密度过大，产生的大量焦耳热引起键合丝的熔断（典型形貌如图7所示），造成灾难性失效键合引线熔断与过电应力的幅度和持续时间以及键合引线自身材质和直径相关图4图5芯片裂纹导致的LED失效图6电迁移导致的LED失效热机械应力是导致LED键合失效的另一个主要原因，快速、高温差的温度循环较容易导致LED内引线键合失效由于材料间的热膨胀系数差异，封装树脂在高温条件下产生的热机械应力会对键合引线产生拉伸作用，当应力超过芯片引线键合拉力时，就会导致如图8所示的引线键合失效，或导致图（a）所示芯片表面焊盘剥离，或导致图（b）所示键合引线拉断，从而导致LED开路失效。
2.2.2冶金结互扩散电学接触的冶金结互扩散是指高温引起的金属-金属、金属-半导体材料间的相互扩散现象电学接触的冶金结互扩散不同于电迁移，电迁移主要表现为电场作用下的金属互联结构内原子的定向迁移运动，产生显著质量输运，而电学接触的互扩散则是两种相邻的材料在应力作用下沿相反方向运动，导致内部产生合金或相互混合的现象，最终引起电学接触性能的退化半导体制造工艺中通常选择Au/Ge/Ni作为接触电极层，在应力作用下，位于电极层下方半导体材料中的Ga会向外扩散穿过AuGe层进入到Au层，Au也会向内部扩散，最后形成高阻的合金层，导致接触电阻的增加，引起LED光输出降低2.2.3静电放电（ESD）蓝光、绿光和白光LED芯片通常采用蓝宝石作为衬底材料，但蓝宝石衬底是电学绝缘的，故采用蓝宝石衬底的LED芯片p-或n-接触均位于芯片的表面一侧，由于衬底的绝缘性使得衬底具有较低的热阻，故更容易受到静电放电影响产生损伤[8]正向脉冲（1ns~1ps）可以通过LED器件而不产生损伤，但是反向脉冲则会引起损伤静电放电会在芯片局部产生过高的焦耳热，引起光-电参数异常，恶劣情况下会导致芯片烧毁或内部结击穿，导致LED短路失效（图9所示）。
为防止静电放电对芯片造成损伤，通常在LED中反向并联一只齐纳二极管，齐纳二极管可以让正反方向的尖峰脉冲通过电路而不会对LED发光芯片产生损伤2.3封装相关的失效2.3.1封装材料碳化过电应力会引起芯片产生大量的焦耳热和局部的高温，产生的焦耳热和高温会导致LED塑封材料的碳化碳化后的塑封材料自身绝缘电阻减小，从而降低了键合引线间的绝缘性另外，芯片高温引起芯片表面塑封材料的碳化后，会在芯片表面形成一层导电的碳膜，当施加电应力时，导电碳膜会在芯片表面形成短路通道，进而引起LED发生短路烧毁失效[9]图7过电应力导致的LED引线键合失效图8热机械应力导致的LED引线键合失效图9ESD导致的LED失效在高光能量密度封装的白光LED中，由于荧光粉的转换效率并不能达到100%,因此荧光粉吸收的一部分能量转换为黄光，另一部分能量则转变成了热量，故使得荧光粉的温度往往高于LED芯片PN结温度由于荧光粉通常和树脂类封装材料（如硅胶）掺在一起，而硅胶的导热系数非常低，只有约0.16W/mK,因此荧光粉产生的热量会在较小的局部区域积累，造成局部高温,LED光密度越大则荧光粉的发热量越大当荧光粉的温度达到450°C以上时，会使荧光粉颗粒附近的硅胶出现碳化。
一旦某个地方的硅胶出现碳化发黑，其光转换效率则会变得更低，该区域将吸收更多LED发出的光能量并转化为更多的热量，温度继续增加，使得碳化的面积越来越大，从而降低的LED的光输出2.3.2材料分层由于封装材料之间热传导系数的不匹配以及温度梯度和温度分布的不均匀，材料内部可能产生裂纹或在材料界面处产生分层，重复的循环应力也会导致LED封装不同材料间的分层，芯片与封装树脂间、树脂与框架间、芯片与热沉间均有可能发生分层这些裂纹或分层引起LED失效的模式主要表现为光输出下降芯片与荧光粉层之间的分层可使取光效率下降，荧光粉层与灌封硅胶之间的分层最高可使光效率下降20%以上，封装树脂与框架或基板之间的分层甚至有可能导致键合引线断裂，造成灾难性失效当分层发生在热释放通道上时，会导致热阻的增加，增加的热阻会引起芯片结温的升高，温度的升高对封装树脂和荧光粉都会产生不利影响，最终会降低LED寿命引起LED内部分层的主要原因为热机械应力、水汽侵蚀、界面沾污等2.3.3封装黄化LED产品一般采用透明的环氧树脂作为封装材料，环氧树脂在保证光输出的同时，还具有防止机械应力、热应力对芯片产生冲击和潮气引起封装内部键合及芯片腐蚀的作用。
但是，选择环氧树脂作为LED的封装材料存在两种不足，一是固化后的环氧树脂坚硬易碎，二是环氧树脂在照射（如UV光）或高温条件下会发生断链和变色现象，这种现象称为封装黄化（EncapsulantYellowing），封装黄化引起的LED失效如图10所示，图（a）、图（b）分别为老炼前后的封装外观封装黄化会导致环氧树脂颜色改变和透明度降低，导致LED光输出降低引起封装黄化的主要原因有：①长期暴露在短波长（如蓝光/UV光）照射环境下，发生光降解作用；②过高的结温；③荧光粉的掺入采用耐UV光或硅酮树脂的封装材料可以有效降低因UV光照射导致的光降解作用；采用改良的环氧树脂或硅酮基封装材料和较低热阻的衬底材料可以有效改良因结温过高而导致的封装黄化现象；高折射率的封装材料、良好的反射杯设计和较高量子效率的荧光粉可以有效降低芯片和封装折射率失配的问题，从而提高光输出效率2.3.4荧光粉热淬灭图10封装黄化引起的LED失效图11温度引起白光LED光功率退化表1LED失效模式与失效机理失效位置失效原因失效影响失效模式失效机理大电流引起的焦耳热热机械应力流明衰减、反向漏电流增加、反向寄生串联电阻增加缺陷或位错的产生及移动芯片大电流引起的焦耳热较高的环境温度较差的切片及磨抛工艺热机械应力流明衰减芯片碎裂较差的pn结制造工艺、大电流引起的焦耳热较高的环境温度热应力流明衰减、串联电阻或正向电流增加掺杂扩散高驱动电流或大电流密度过电应力不发光、短路电迁移内部互联高驱动或高瞬态峰值电流过电应力不发光、开路过电应力导致的键合引线断裂温度循环导致的变形材料失配热机械应力不发光、开路键合引线（球）疲劳水汽浸入湿-机械应力高驱动或高脉冲/瞬态电流过电应力流明衰减、反向寄生串联电阻增加短路电接触金属互扩散高温热应力材料特性差（如衬底热传导性差）热阻增加不发光、开路静电放电高压（反向偏置脉冲电压）过电应力大电流引起的焦耳热较高的环境温度封装过电应力流明衰减封装碳化材料失配界面沾污热机械应力流明衰减分层水汽浸入湿-机械应力长期暴露在UV下光降解流明衰减、颜色改变、封装变色封装黄化高驱动电流引起的焦耳热高环境温度荧光粉退化热应力高环境温度较差的热设计热机械应力流明衰减透镜碎裂水汽浸入湿-机械应力大电流引起的焦耳热较高的环境温度热应力流明衰减、色谱展宽(颜色变化)荧光粉热淬灭荧光粉热淬灭(ThermalQuenching)是指荧光粉随着温度的增高其自身转换效率降低的现象。
在采用蓝光芯片和荧光粉的白光LED中，短波长的蓝光会激发芯片表面的荧光粉，受激后的荧光粉会发出波长相对较长的黄光，黄光和芯片自身发出的蓝光混合后就可以得到白光荧光粉中物质吸收能量由基态跃迁到激发态，但是激发态能量较高处于不稳定状态，又会从激发态跃迁回到基态并释放出吸收的能量，这一跃迁过程又可以分为荧光衰变(FluorescenceDecay)和磷光衰变(PhosphorescenceDecay)相对荧光衰变，磷光衰变是一种非辐射跃迁过程，其发射路径较长，且发生磷光衰变的几率与温度相关，温度越高，发生磷光衰变的几率越大荧光粉的热淬灭就是高温导致非辐射复合的磷光衰变的几率增加，从而引起光输出降低的现象，温度引起白光LED光功率退化的现象如图11所示荧光粉的热淬灭不但会降低光输出，还会引起颜色漂移和半峰宽(FWHM)的展宽大的驱动电流和过高的结温都会导致器件产生高温，引起荧光粉发生热淬灭现象［10］上文将与LED相关的失效分为芯片、内部互联和封装三部分展开了讨论和分析芯片相关失效重点讨论了缺陷、芯片碎裂、电迁移引起的失效；内部互联相关的失效重点讨论了键合引线断裂或疲劳、冶金结互扩散、静电放电(ESD)引起的失效;封装相关的失效重点讨论了封装材料碳化、材料分层、封装黄化、荧光粉热淬灭引起的失效，表1给出了LED常见失效模式和失效机理［1］。
3结论LED寿命理论上可长达105h，然而实际工作寿命却远小于该理论寿命值本文从芯片、内部互联和封装三个角度对LED常见失效模式和失效机理进行了分析和讨论，以期对科学预测LED寿命提供参考，对LED工程应用可靠性提供理论指导参考文献:[1] Moon-HwanChang,DigantaDas,P.V.Varde,etal.Lightemittingdiodesreliabilityreview.[J].MicroelectronicsReliability,2012,52:762-782.[2] E.FredSchubert,Light-EmittingDiodes[M].CambridgeUniversityPress,UK,2003,26-46.[3] A.Uddin,A.c.Wei,T.G.Andersson,Studyofdegradationmechanismofbluelightemittingdiodes[J].ThinSolidFilms,2005,483:378-381.[4] X.A.Cao,P.M.Sandvik,S.F.LeBoeuf,DefectgenerationinInGaN/GaNlight-emittingdiodesunderforwardandreverseelectricalstresses[J].MicroelectronicsReliability,2003,43:1987-1991.⑸夏云云.GaN基LED失效分析与可靠性研究[D].广州:华南理工大学,2016.[6] 席善斌，高金环，裴选，等.金迁移诱致谐波混频器失效分析研究[J].环境技术，2015,6:43-46.[7] LEDFailureModesImplicationsinEx-eApplications[J].JournalofEnergyandPowerEngineering,2015,9:986-997.[8] SuYK,ChangSJ,WeiSC,etal.ESDengineeringofnitride-basedLEDs[J].IEEETransDevMaterReliab,2005,5:277-281.[9] MeneghiniM,TrevisanelloL,SannaC,etal.Hightemperatureelectro-opticaldegradationofInGaN/GaNHBLEDs[J].MicroelectronReliab,2007,47:1625-1634.[10] BartonDL,OsinskiM,PerlinP,etal.Single-quantumwellInGaNgreenlightemittingdiodedegradationunderhighelectricalstress[J].MicroelectronReliab,1999,39:1219-27.。