LED主要失效模式分析

LED是一種直接將電能轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)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(lái)，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(guò)150lm/W，這些特點(diǎn)都使得LED受到越來(lái)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(guò)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(wèn)題，很多學(xué)者已經(jīng)開(kāi)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(duì)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(guò)應(yīng)力失效、電過(guò)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(jiàn)。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(huì)進(jìn)一步加劇微裂紋使之不斷擴(kuò)大，直至器件完全失效[4]。其次，如果芯片有源區(qū)本來(lái)就有損傷，那么會(huì)導(dǎo)致在加電過(guò)程中逐漸退化直至失效，同樣也會(huì)造成燈具在使用過(guò)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(guò)程中會(huì)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(kāi)路失效，同樣也會(huì)造成LED在使用過(guò)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(guò)期或者暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、銀漿使用量過(guò)少、固化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、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(shù)脂材料，在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生劣化問(wèn)題，致使LED的壽命降低。這種劣化問(wèn)題包括：光透過(guò)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(guò)率最為重要。有研究表明光的波長(zhǎng)越短，光透過(guò)率的劣化越嚴(yán)重，但是對(duì)于綠光以上波長(zhǎng)(即大于560nm)來(lái)說(shuō)，這種影響并不嚴(yán)重。Lumileds2003年曾公布過(guò)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(shù)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(shù)脂封裝的對(duì)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(shù)脂明顯變成黃色、繼而變成褐色。這種明顯的退化過(guò)程，主要就是由于光照以及溫升引起的環(huán)氧樹(shù)脂光透過(guò)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(huì)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(duì)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(dòng)導(dǎo)電離子會(huì)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(huì)有大量的殘留氣泡，這些殘留的氣泡同樣也會(huì)造成器件的腐蝕。
　　(3) 熱過(guò)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(guó)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(lái)進(jìn)行LED加速壽命實(shí)驗(yàn)[8,9]。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(huì)隨之升高，從而導(dǎo)致LED提前失效。

　　圖1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(duì)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(dòng)，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(huì)使得環(huán)氧樹(shù)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[9]。
　　(4) 電過(guò)應(yīng)力失效
　　LED若在過(guò)電流的情況下使用(EOS)或者靜電沖擊損傷(ESD)了芯片，都會(huì)造成芯片開(kāi)路，形成電過(guò)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(guò)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(guò)材料的承受能力，就會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象并放電，使得器件失效。
　　二、改善措施
　　通過(guò)對(duì)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(huì)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(wèn)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)
　　在第2.4節(jié)中已經(jīng)提到，以GaN作為芯片的LED，在使用中存在的一個(gè)很大問(wèn)題就是靜電效應(yīng)，如果不處理好這一問(wèn)題，就會(huì)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(shù)脂材料，會(huì)因?yàn)楣庹找约皽厣鹌涔馔高^(guò)率的劣化，在使用中則表現(xiàn)為原本透明的環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(guò)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(guò)程中需要合適的鍵合條件，若鍵合過(guò)大將會(huì)壓傷芯片，反之則會(huì)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(duì)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(wú)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(duì)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(guò)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(wú)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(huì)有新的問(wèn)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。