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LED主要失效模式分析及其改善

發(fā)布時(shí)間:2012-03-27

中心議題:
  • LED主要失效模式分析及其改善
解決方案:
  • 采用散熱技術(shù)和防靜電技術(shù)
  • 采用封裝技術(shù)和優(yōu)化制造工藝

LED是一種直接將電能轉(zhuǎn)換為可見光和輻射能的發(fā)光器件,具有耗電量小、發(fā)光效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)逐漸成為了一種新型高效節(jié)能產(chǎn)品,并且被廣泛應(yīng)用于顯示、照明、背光等諸多領(lǐng)域。近年來,隨著LED技術(shù)的不斷進(jìn)步,其發(fā)光效率也有了顯著的提升,現(xiàn)有的藍(lán)光 LED系統(tǒng)效率可以達(dá)到60%;而白光LED的光效已經(jīng)超過150lm/W,這些特點(diǎn)都使得LED受到越來越多的關(guān)注。
 
目前,雖然LED的理論壽命可以達(dá)到50kh,然而在實(shí)際使用中,因?yàn)槭艿椒N種因素的制約,LED往往達(dá)不到這么高的理論壽命,出現(xiàn)了過早失效現(xiàn)象,這大大阻礙了LED作為新型節(jié)能型產(chǎn)品的前進(jìn)步伐。為了解決這一問題,很多學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)研究,并且得到了一些重要的結(jié)論。本文就是在此基礎(chǔ)上,對造成 LED失效的重要因素進(jìn)行系統(tǒng)性的分析,并且提出一些改善措施,以期望能夠完善LED的實(shí)際使用壽命。

一、LED失效模式

LED失效模式主要有:芯片失效、封裝失效、熱過應(yīng)力失效、電過應(yīng)力失效以及裝配失效,其中尤以芯片失效和封裝失效最為常見。本文將就這幾種主要失效模式,進(jìn)行詳細(xì)的分析。

(1) 芯片失效

芯片失效是指芯片本身失效或其它原因造成芯片失效。造成這種失效的原因往往有很多種:芯片裂紋是由于鍵合工藝條件不合適,造成較大的應(yīng)力,隨著熱量積累所產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力也隨之加強(qiáng),導(dǎo)致芯片產(chǎn)生微裂紋,工作時(shí)注入的電流會進(jìn)一步加劇微裂紋使之不斷擴(kuò)大,直至器件完全失效。其次,如果芯片有源區(qū)本來就有損傷,那么會導(dǎo)致在加電過程中逐漸退化直至失效,同樣也會造成燈具在使用過程中光衰嚴(yán)重直至不亮。再者,若芯片粘結(jié)工藝不良,在使用過程中會導(dǎo)致芯片粘結(jié)層完全脫離粘結(jié)面而使得樣品發(fā)生開路失效,同樣也會造成LED在使用過程中發(fā)生“死燈”現(xiàn)象。導(dǎo)致芯片粘結(jié)工藝不良的原因,可能是由于使用的銀漿過期或者暴露時(shí)間過長、銀漿使用量過少、固化時(shí)間過長、固晶基面被污染等。

(2) 封裝失效

封裝失效是指封裝設(shè)計(jì)或生產(chǎn)工藝不當(dāng)導(dǎo)致器件失效。封裝所用的環(huán)氧樹脂材料,在使用過程中會發(fā)生劣化問題,致使LED的壽命降低。這種劣化問題包括:光透過率、折射率、膨脹系數(shù)、硬度、透水性、透氣性、填料性能等,其中尤以光透過率最為重要。有研究表明光的波長越短,光透過率的劣化越嚴(yán)重,但是對于綠光以上波長(即大于560nm)來說,這種影響并不嚴(yán)重。Lumileds2003年曾公布過功率LED白光器件和φ5白光器件的壽命實(shí)驗(yàn)曲線,19kh后,用硅樹脂封裝的功率器件,光通量仍可維持初始的80%,而用環(huán)氧樹脂封裝的對比曲線則表示在6kh后,光通量維持率僅為50%。實(shí)驗(yàn)表明,在芯片發(fā)光效率相同的情況下,靠近芯片的環(huán)氧樹脂明顯變成黃色、繼而變成褐色。這種明顯的退化過程,主要就是由于光照以及溫升引起的環(huán)氧樹脂光透過率的劣化所造成的。與此同時(shí),在由藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉發(fā)出白光的LED中,封裝透鏡的褐變會影響其反射性,并且使得發(fā)出的藍(lán)光不足以激發(fā)黃色熒光粉,從而使得光效和光譜分布發(fā)生改變。

對于封裝而言,還有一個(gè)影響LED壽命的重要因素就是腐蝕。在LED使用中,一般引起腐蝕的主要原因是水汽滲入了封裝材料內(nèi)部,導(dǎo)致引線變質(zhì)、PCB銅線銹蝕;有時(shí),隨水汽引入的可動導(dǎo)電離子會駐留在芯片表面,從而造成漏電。此外,封裝質(zhì)量不好的器件,在其封裝體內(nèi)部會有大量的殘留氣泡,這些殘留的氣泡同樣也會造成器件的腐蝕。

(3) 熱過應(yīng)力失效

溫度一直是影響LED光學(xué)性質(zhì)的重要因素,而在研究LED失效模式的時(shí)候,國內(nèi)外學(xué)者考慮到將工作環(huán)境溫度作為加速應(yīng)力,來進(jìn)行LED加速壽命實(shí)驗(yàn)。這是因?yàn)樵贚ED系統(tǒng)熱阻不變的前提下,封裝引腳焊接點(diǎn)的溫度升高,則結(jié)溫也會隨之升高,從而導(dǎo)致LED提前失效。

 

圖:高功率LED的模型結(jié)構(gòu)圖以及在工作環(huán)境溫度分別為

(a)120℃、(b)100℃和(c)80℃下輻射功率和加速時(shí)間的關(guān)系圖

Hsu等人對不同廠商所提供的LED樣品進(jìn)行加速壽命實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)將LED樣品分別置于80、100、120℃下,使用3.2V電壓驅(qū)動,并且規(guī)定當(dāng)樣品的光功率下降到起始值的50%時(shí),即判定為失效。圖1實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:高功率LED的壽命隨著加速壽命實(shí)驗(yàn)溫度的升高以及加速時(shí)間的增加而減小。在加速壽命實(shí)驗(yàn)中,LED結(jié)溫升高會使得環(huán)氧樹脂材料發(fā)生異變,從而增加了系統(tǒng)的熱阻,使得芯片與封裝之間的受熱表面發(fā)生退化,最終導(dǎo)致封裝失效。
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(4) 電過應(yīng)力失效

LED若在過電流的情況下使用(EOS)或者靜電沖擊損傷(ESD)了芯片,都會造成芯片開路,形成電過應(yīng)力失效。例如,GaN是寬禁帶材料.電阻率較高。如果使用該類芯片,在生產(chǎn)過程中因靜電產(chǎn)生的感生電荷不易消失,當(dāng)其累積到相當(dāng)?shù)某潭葧r(shí),可以產(chǎn)生很高的靜電電壓,這一電壓一旦超過材料的承受能力,就會發(fā)生擊穿現(xiàn)象并放電,使得器件失效。

二、改善措施

通過對以上所介紹的LED主要失效模式的分析,可以從中獲悉改善LED在實(shí)際使用壽命的技術(shù)方法。

(1) 散熱技術(shù)

散熱技術(shù)一直是影響LED應(yīng)用的重要環(huán)節(jié),如果LED器件不能夠及時(shí)散熱,就會導(dǎo)致芯片的結(jié)溫嚴(yán)重升高,繼而發(fā)光效率急劇下降,可靠性(如壽命、色移等) 將變壞;于此同時(shí),高溫高熱將使LED封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力,可能進(jìn)一步引發(fā)一系列的可靠性問題[5]。因此,在制造工藝上,可以選擇導(dǎo)熱性好的底座,并且使得LED的散熱面積盡可能的大,從而增加器件的散熱性能。

(2) 防靜電技術(shù)

以GaN作為芯片的LED,在使用中存在的一個(gè)很大問題就是靜電效應(yīng),如果不處理好這一問題,就會嚴(yán)重影響到器件的壽命。因此,在LED設(shè)計(jì)時(shí),要充分考慮到防靜電的設(shè)計(jì),以避免器件因?yàn)楦哽o電電壓造成擊穿等失效現(xiàn)象。

(3) 封裝技術(shù)

封裝所用的環(huán)氧樹脂材料,會因?yàn)楣庹找约皽厣鹌涔馔高^率的劣化,在使用中則表現(xiàn)為原本透明的環(huán)氧樹脂材料發(fā)生褐變,影響器件原本的光譜功率分布。因此,在進(jìn)行LED封裝的時(shí)候,我們要嚴(yán)格控制固化的溫度,避免在進(jìn)行封裝的時(shí)候,就已經(jīng)造成了環(huán)氧樹脂的提前老化。

另一方面,為了防止器件發(fā)生腐蝕現(xiàn)象,在選擇透明性好的封裝材料的同時(shí),要注意注塑過程中,盡量排干凈材料內(nèi)部的氣泡,以減小水氣的殘留量,降低器件發(fā)生腐蝕的幾率。

(4) 優(yōu)化制造工藝

LED制造過程中需要合適的鍵合條件,若鍵合過大將會壓傷芯片,反之則會造成器件的鍵合強(qiáng)度不足,使得器件容易脫松。因此,在保證器件鍵合強(qiáng)度的同時(shí),需要盡量降低鍵合工藝對芯片造成的損傷,以達(dá)到優(yōu)化鍵合工藝的目的。

在進(jìn)行芯片的粘接時(shí),要求控制溫度和時(shí)間在合適的范圍之內(nèi),使得焊料達(dá)到致密,無空洞,殘余應(yīng)力小等工藝要求。

(5) 合理篩選

在LED出廠前,可以增加一道篩選工藝,就是對其中的一些樣品進(jìn)行合理的老化和篩選試驗(yàn),剔除一些可能發(fā)生提前失效的器件,以降低LED在實(shí)際使用中的提前失效現(xiàn)象。

結(jié)論

綜上所述,盡管LED具有很高的理論壽命,但是在實(shí)際使用過程中,受芯片、封裝、應(yīng)力等因素的影響,使用時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到所預(yù)期的理論值。為了確實(shí)提高 LED的壽命,無論是在制造工藝上,還是在應(yīng)用層面上,都需要更進(jìn)一步的研究、探索和實(shí)踐。隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展,必定還會有新的問題不斷浮現(xiàn)。但是只要能夠掌握LED失效的根本原因,就能在實(shí)踐中確實(shí)改善 LED器件的性能,將這種新型光源推廣到應(yīng)用領(lǐng)域的前端,更好地服務(wù)于生產(chǎn)和生活。
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