LED芯片失效和封裝失效的原因分析

LED照明和背光燈技術(shù)在近十幾年已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步，作為公認(rèn)的新型下一代綠色光源，LED光源已出現(xiàn)在傳統(tǒng)照明等領(lǐng)域，但LED光源尚存在很多沒(méi)有解決的問(wèn)題。

其中包括一致性較差、成本較高和可靠性差等，其中最主要的問(wèn)題就是穩(wěn)定性和可靠性問(wèn)題。雖然目前預(yù)測(cè)LED光源的壽命超過(guò)5萬(wàn)小時(shí)。但這個(gè)壽命指的是理論壽命，光源在25℃下的使用壽命。在實(shí)際使用過(guò)程中，會(huì)遇到高溫、高濕等惡劣環(huán)境，放大LED光源缺陷，加速材料老化，使LED光源快速失效。

失效模式的物理機(jī)理

LED燈珠是一個(gè)由多個(gè)模塊組成的系統(tǒng)。每個(gè)組成部分的失效都會(huì)引起LED燈珠失效。 從發(fā)光芯片到LED燈珠，失效模式有將近三十種，如表1，LED燈珠的失效模式表所示。這里將LED從組成結(jié)構(gòu)上分為芯片和外部封裝兩部分。 那么， LED失效的模式和物理機(jī)制也分為芯片失效和封裝失效兩種來(lái)進(jìn)行討論。

表1 LED燈珠失效模式

引起LED芯片失效的因素主要包括：靜電、電流和溫度。

靜電放電可釋放瞬間超高電壓，給LED芯片帶來(lái)很大的危害，ESD導(dǎo)致的LED芯片失效分為軟失效和硬失效兩種模式。由靜電帶來(lái)的高電壓/電流導(dǎo)致LED芯片短路成為硬失效模式。LED芯片短路的原因是過(guò)高的電壓使電解質(zhì)破裂，或者過(guò)高的電流密度是芯片中產(chǎn)生電流通路。

靜電釋放稍微低一些的電壓/電流會(huì)導(dǎo)致LED芯片的軟失效。軟失效通常伴隨著芯片反向漏電流的減小，這可能是由于高反向電流使一部分漏電流的路徑消失引起的。相比于垂直LED芯片，靜電對(duì)水平LED芯片的危害較大。因?yàn)樗絃ED芯片的電極在芯片同一側(cè)，靜電產(chǎn)生的瞬間高電壓更容易使芯片上的電極短路，從而引起LED芯片失效。

大電流也會(huì)帶來(lái)LED芯片的失效：一方面大電流會(huì)帶來(lái)比較高的結(jié)溫;另一方面，具有高動(dòng)力能的電子進(jìn)入了PN結(jié)會(huì)使Mg-H鍵和Ga-N鍵斷裂。

Mg-H鍵的斷裂會(huì)進(jìn)一步激活p層的載流子，使LED芯片在老化開(kāi)始時(shí)有一個(gè)光功率上升階段，而Ga-N鍵的斷裂會(huì)形成氮空位。氮空位增加了非輻射復(fù)合的可能性，從而解釋了器件的光功率的衰減。氮空位的形成要達(dá)到平衡時(shí)一個(gè)很漫長(zhǎng)的過(guò)程，這是LED芯片緩慢老化的主要原因。

同時(shí)，大電流會(huì)帶來(lái)LED芯片內(nèi)部的電流擁擠，LED芯片內(nèi)的缺陷密度越大，電流擁擠的現(xiàn)象越嚴(yán)重。過(guò)大的電流密度會(huì)引起金屬的電遷移現(xiàn)象，使得LED芯片失效。另外InGaN發(fā)光二極管在電流和溫度雙重作用下，在有效摻雜的p層中還會(huì)出現(xiàn)很不穩(wěn)定的Mg-H2復(fù)合物。

溫度對(duì)LED芯片的影響主要是使內(nèi)量子效率降低和LED芯片壽命變短。這是因?yàn)閮?nèi)量子效率是溫度函數(shù)，溫度越高內(nèi)量子效率越低，同時(shí)，溫度對(duì)材料的老化作用會(huì)使歐姆接觸和LED芯片內(nèi)部材料的性能變差。另外，高的結(jié)溫使得芯片內(nèi)溫度分布不均勻，產(chǎn)生應(yīng)變，從而降低內(nèi)量子效率和芯片的可靠性。熱應(yīng)力大到一定程度，還可能造成LED芯片破裂。

引起LED封裝失效的因素主要包括：溫度、濕度和電壓。

目前，研究的最為深入和廣泛的是溫度對(duì)LED封裝可靠性的影響。溫度使LED模塊及系統(tǒng)失效的原因在于以下幾個(gè)方面：

(1)高溫會(huì)使封裝材料降解加快、性能下降;

(2)結(jié)溫對(duì)LED的性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響。過(guò)高的結(jié)溫會(huì)使熒光粉層燒黑碳化，使得LED光效急劇降低或造成災(zāi)難性失效。另外，由于硅膠和熒光粉顆粒之間的折射率和熱膨脹系數(shù)不匹配，過(guò)高的溫度會(huì)使熒光粉的轉(zhuǎn)換效率下降，并且摻的熒光粉比例越高，光效下降的越厲害;

(3)由于封裝材料之間熱傳導(dǎo)系數(shù)的不匹配，溫度梯度和溫度分布的不均勻，材料內(nèi)部可能產(chǎn)生裂紋或者在材料之間界面產(chǎn)生脫層。這些裂紋及脫層都會(huì)引起光效下降，芯片、熒光粉層之間的脫層可使取光效率下降，熒光粉層與灌封硅膠之間的脫層最高可使取光效率下降20%以上。硅膠與基板之間的脫層甚至有可能導(dǎo)致金線斷裂，造成災(zāi)難性失效。

通過(guò)有關(guān)高濕環(huán)境實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，濕氣的侵入不但使得LED光效下降，而且有可能導(dǎo)致LED的災(zāi)難性失效。通過(guò)85℃/ 85%RH高溫高濕可靠性加速實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，濕氣在分層缺陷的形成中起著重要的作用，分層現(xiàn)象的產(chǎn)生使得LED的光效下降，不同芯片表面粗糙不同導(dǎo)致了不同的失效模式。