简单分析照明LED的失效模式问题及改善措施

LED是一种直接将电能转换为可见光和辐射能的发光器件，具有耗电量小、发光效率高、体积小等优点，目前已经逐渐成为了一种新型高效节能产品，并且被广泛应用于显示、照明、背光等诸多领域。近年来，随着LED技术的不断进步，其发光效率也有了显著的提升，现有的蓝光LED系统效率可以达到60%，而白光LED的光效已经超过150lm/W，这些特点都使得LED受到越来越多的关注。

尽管LED理论寿命可达50kh以上，但由于各种因素的限制，实际应用时LED通常无法达到如此之高的理论寿命，过早地发生故障，极大地妨碍LED这种新型节能型产品向前发展。为解决这一难题，许多学者进行了相关的研究并得出一些有意义的结论。

1、案例背景：

LED加电不亮，手轻压可正常发光。

2、分析过程

X射线透视可明显发现NG样品上的两根连接在LED内部大晶片上的绑定线在绑定点端头部分有明显断裂，内部连接负极的一端绑定良好。正常样品则未见任何异常。

采用化学方法对LED灯表面封装胶体进行腐蚀，并通过电子显微镜对内部结构进行观察，可以清楚地发现芯片内与正极相连的两根金线端头部位发生了显着的机械应力破裂，断口上出现颈缩和金属机械拉尖。破裂的部位都位于绑定颈部的部位，且绑定点的部位绑定效果较好。剖面观察没有发现LED半球形封胶体存在明显裂纹和气孔等封装缺陷。

根据LED打开后内部结构，样品与普通LED封装不同，晶片正极绑定点是带有尾翼的第二绑定点（通常第二个绑定点在晶片封装时强度较弱，容易出现破裂等异常情况），并且在框架负极处绑定点相反是球型中的第一个绑定点。出现机械断裂的恰恰是带有尾翼的第二绑定点部位，这个部位在立体空间中比负极第一绑定点高，受外界机械应力作用较大。

A点，芯片电极与金球结合处；

B点，金球与金线结合处即球颈处；

C点，焊线线弧所在范围；

D点，支架二焊点与金线结合处；

E点，支架二焊点与支架镀层结合处。

3、失效模式

1.晶片失效

晶片失效是指晶片本身失效或其它原因造成晶片失效。造成这种失效的原因往往有很多种，晶片裂纹是由于键合工艺条件不合适，造成较大的应力，随着热量积累所产生的热机械应力也随之加强，导致晶片产生微裂纹，工作时注入的电流会进一步加剧微裂纹使之不断扩大，直至完全失效。二是若芯片有源区原来已有损坏，则将使加电时逐步劣化至故障，同样使灯具运行时产生严重的光衰至不亮。再者如果晶片粘结工艺不佳，使用时将使晶片粘结层与粘结面彻底分离，使试样开路失效，这同样会使LED使用时出现“死灯”的情况。晶片粘结工艺差的原因可能是所用银浆（绝缘胶）已过期或暴露时间太长，银浆（绝缘胶）用量太少，固化时间太长，固晶基面受到污染。

2.封装失效

封装失效是指封装设计或生产工艺不当导致器件失效。封装所用的环氧树脂材料，在使用过程中会发生劣化问题，致使LED的寿命降低。这种劣化问题包括光透过率、折射率、膨胀系数、硬度、透水性、透气性、填料性能等，其中尤以光透过率最为重要。一些研究显示，光波长愈短，光透过率恶化愈严重，但对绿光上方波长（即大于560nm）的影响则不大。Lumileds2003年曾公布过功率LED白光器件和φ5白光器件的寿命实验曲线,19kh后，用硅树脂封装的功率器件，光通量仍然能保持最初的80%。而环氧树脂包装对比曲线显示6kh以后光通量维持率只有50%。证明了当芯片发光效率不变时，芯片附近环氧树脂显着转变为黄色，随后转变为褐色。这一显著退化过程主要是光照和温升导致环氧树脂光透过率恶化所致。同时，当蓝光刺激黄色荧光粉发白光时,LED封装透镜褐变对反射性有影响，并使发蓝光不足以刺激黄色荧光粉使光效及光谱分布产生变化。

对于封装而言，还有一个影响LED寿命的重要因素就是腐蚀。在LED使用中，一般引起腐蚀的主要原因是水汽渗入了封装材料内部，导致引线变质、PCB铜线锈蚀;有时，随水汽引入的可动导电离子会驻留在芯片表面，从而造成漏电。此外，封装质量不好的器件，在其封装体内部会有大量的残留气泡，这些残留的气泡同样也会造成器件的腐蚀。

3.热过应力失效

温度一直是影响LED光学性质的重要因素，而在研究LED失效模式的时候，国内外学者考虑到将工作环境温度作为加速应力，来进行LED加速寿命实验。这是因为在LED系统热阻不变的前提下，封装引脚焊接点的温度升高，则结温也会随之升高，从而导致LED提前失效。高功率LED的模型结构图以及在工作环境温度分别为（a）120℃、（b）100℃和（c）80℃下辐射功率和加速时间的关系图如下。

在对不同厂商所提供的LED样品进行加速寿命实验，该实验将LED样品分别置于80、100、120°C下，使用3.2V电压驱动，并规定了当试样光功率降至起始值50%时即被判定无效。上图中试验结果表明，高功率LED寿命随加速寿命试验温度和加速时间延长而降低。加速寿命试验中LED结温的提高将使环氧树脂材料产生异变，进而使系统热阻增大，使芯片和封装受热表面劣化并最终造成封装失效。

4.电过应力失效

LED如果遭受过电流（EOS）或静电冲击（ESD）等因素的影响，均可能导致晶片开路而形成电过应力故障。如GaN为宽禁带材料、电阻率大。若采用这种晶片，由于静电引起的感生电荷在制造过程中不容易消失，当积累到相当程度后，就能产生较高静电电压，一旦该电压超出材料承受能力时，将出现击穿现象和放电现象，使器件出现故障。

5.键合失效

LED制造过程中键合条件不当，若键合力过大将会压伤晶片，反之则会造成器件的键合强度不足，使得器件容易脱松，或完全未形成良好的键合界面。对某些使用垂直芯片LED灯珠而言，固晶层底部从支架镀层上剥落是较普遍失效原因。下图故障样本是直插式LED灯珠在使用中死灯现象，不良率1.5%。失效样品的截面检查表明金线焊点都完好无损。但是发现固晶层从支架镀层上被彻底剥脱，同时封装胶从支架杯壁处被剥脱。

由以上观察到的现象可以判定，造成灯珠失效的原因是封装胶水与支架界面间出现剥离现象，剥离程度和区域随着使用过程加剧而扩展，进一步造成固晶胶与支架剥离，最终导致样品出现失效。也可能是封装胶水粘接性不良造成封装胶水与支架界面间出现分层。

6.机械应力失效

LED在SMT工艺流转、测试或运输中，外部的夹具、模具或其它硬质的材料撞击LED灯封装体，导致其内部结构瞬间移位拉断内部绑定线。这类失效发现在较软封装体的几率较大。

LED芯片成分有InGaN， AlInGaP和ZnSe等半导体材料，这些材料往往比Si芯片更薄、更脆。若封装设计不当，导致内部存在残存应力，这些应力的存在就可能导致器件芯片开裂、功能退化等可靠性问题。下图分析的案例也是LED样品上板后出现大批量的失效。对LED样品进行失效分析发现所有发光二极管的芯片都存在有裂纹，并且裂纹位置相同，都位于芯片的右边区域，即靠近阳极引出片右边缘。裂纹贯穿PN结，裂纹处PN耐压严重下降，而且，在潮湿的环境下，PN结处裂纹漏电增大。裂纹的产生与机械应力有关。

根据样品的失效信息，结合芯片的衬底结构，芯片的电连接方式（凸点采用倒装焊接而不是一般金丝焊接），分析了LED芯片开裂的原因是机械应力在LED芯片的两电极之间形成了相对的剪切力，并提出了相应的解决措施，通过凸点对LED芯片直接施加作用力，使薄而脆性大的LED芯片产生力裂缝。机械应力和热变应力有一定关系。

4、改善措施：

通过对以上所介绍的LED主要失效模式的分析，可以从中获悉改善LED在实际使用寿命的技术方法。

1.散热技术

散热技术一直以来都是LED应用中的重要组成部分，若LED器件不能及时散热则芯片结温将会严重上升，进而发光效率大幅降低，可靠性（如寿命、色移等）也会变差。在这同时高温高热会导致LED封装结构内出现机械应力并可能会进一步导致一系列可靠性问题。所以在制作过程中，可选用导热性良好的底座并使LED散热面积尽量大以提高器件散热性能。

2.防静电技术

以GaN作为芯片的LED，在使用中存在的一个很大问题就是静电效应，如果不处理好这一问题，就会严重影响到器件的寿命。因此，在LED设计时，要充分考虑到防静电的设计，以避免器件因为高静电电压造成击穿等失效现象。

3.封装技术

封装用环氧树脂材料由于光照和温升等原因导致其光透过率恶化，使用过程中呈现原来透明环氧树脂材料褐变现象，从而影响了器件原有光谱功率分布。所以，当LED封装完成后，应严格控制固化温度，以免封装完成后，已导致环氧树脂过早老化。另一方面为避免器件出现腐蚀现象，选用透明性良好的封装材料时，应注意注塑时尽可能将材料内气泡排出，为了减少水气的残留和减少器件被腐蚀的可能性。

4.优化制造工艺

LED在制造过程中需具备适当的键合条件，如果键合过度大将芯片将被压伤，反之将导致器件键合强度不够，使器件易脱松。所以在确保器件键合强度前提下，必须尽可能地减小键合过程中对芯片的破坏，从而实现键合工艺优化。在粘接芯片过程中，需要将温度控制在适当范围内，使焊料满足密实、不产生空洞、残余应力低的技术要求。

5.合理筛选

LED出厂之前，可加入一个筛选工艺，即通过对部分样品的合理老化筛选试验来排除部分有提前失效可能性的设备，从而减少LED实际应用时提前失效。

5、案例结论

造成失效试样LED加电未点亮、手轻压即可正常点亮（开路）的主要原因为NG试样在外界机械应力作用下内部晶片第二绑定点机械应力破裂。