了解LED多样的故障模式与解决方案

LED在高效运行方面享有当之无愧的声誉，更不用说高可靠性了。正确指定和实施，LED应该并且几乎满足每个照明应用。但是，有时实际设备的使用寿命会达不到规定的理想值。 LED是宽带隙半导体器件。因此，它们具有比现有技术更复杂和多样的故障模式。与白炽灯不同，白炽灯的故障非常简单（灯泡在灯丝断裂之前产生光线），使用LED时，故障模式的范围从机械和电气到材料。

首先，快速回顾基础知识

在芯片级，LED由掺杂半导体材料组成，形成p-n结。用正向电流偏置结将电子从n型导带推到p型导带。在很大比例的情况下，这种重组是一种辐射过程，产生一个光子，其波长由材料的带隙决定。

一旦LED晶圆被图案化，就将其切割并将各个芯片连接并封装。为了产生从LED发出光所需的正向电流，必须使用超薄线（通常为金）将其连接到引线（图1）。模具可以用银膏粘合到位，这提供电传导和热传导。另一种选择是应用粘弹性阻尼材料进行保护。然后将绝大多数LED封装在环氧树脂中，其提供机械稳定性，光学扩散和一定量的环境保护。

图1：将LED芯片（蓝色）连接到引线的引线键合（金）可能会受到热膨胀应力的破坏。环氧树脂外壳吸收的水分或腐蚀性化学物质会腐蚀引线（灰色）。

LED有两种主要的失败类型：渐进式和灾难性的。除了极少数例外，LED故障往往源于逐渐退化而非灾难性变化。供应商不将故障定义为二元条件，而是将其定义为连续体中的指定点。根据研究，在人眼可以检测到变化之前，灯的输出可以降低多达30％的光通量。因此，大多数制造商通过其输出光通量下降到初始值的70％以下的时间来定义设备的生命周期。

这并不是说灾难性的失败从未发生过。事实上，运行条件越极端，您的设备在某些时候可能会出现故障的可能性就越大。但是，有一些方法可以减轻许多原因，以确保应用程序的成功。

材料失效模式

LED材料的质量直接影响其性能和使用寿命。材料中缺陷的数量越大，电子 - 空穴复合引起非辐射衰变的可能性越大。形成大多数白光LED基础的氮化镓LED目前主要生长在涂有GaN层的蓝宝石衬底上。两种材料之间的格子不匹配引入了引起一种称为穿透位错的缺陷的应变。这些是从GaN膜垂直传播到有源区中的细裂纹，导致非辐射衰变。非辐射衰减的百分比越大，灯的输出越低。这些缺陷可以传播，特别是如果材料经历热循环。

结构缺陷通过创建漏电流路径引入了不同类型的损耗，为反向偏置电流开辟了道路。通过有源区域注入载流子可以产生新缺陷或导致现有缺陷传播。所得到的缺陷密度降低了击穿电压，这可能损害性能。

同样，高电流会产生缺陷，尤其是在结的p侧。实际上，在紫外LED的测试中，电应力比热应力降低了性能。如果您有超高亮度应用，请考虑使用首尔半导体的W724C0-D冷白光LED等产品。表面贴装器件可以承受高达2.8 A的正向电流，输出为900 lm（图2）。

图2：过度驱动LED可能会导致最终影响输出和寿命的缺陷。对于高亮度应用，请确保指定可以完成工作的设备，例如这款冷白色LED，在2.8 A驱动时可产生高达900 lm的输出。（由Seoul Semiconductor提供。）

活跃介质不是LED中唯一潜在的故障源。环氧树脂封装旨在保护芯片，但它实际上可以产生自己的问题。该材料具有固有的吸收性，这意味着在潮湿或甚至腐蚀性环境中，它可以将水分或腐蚀性化学品转移到模具中。这可能导致触点腐蚀，导致短路或电压尖峰。尽管钝化有助于减轻这种影响，但如果在炎热，潮湿的环境中使用设备，则必须尽量保护设备。

电气故障模式

在存在电场的情况下，用于将表面贴装LED粘附到电路板上的银中的金属可能会自发形成细丝，这种现象称为电迁移，这是一种自发过程湿度或潮湿条件加剧了这种情况。对于未封装的LED，并且它们确实存在，这可能是一个应该防范的问题。

暴露在高压静电放电中的LED存在灾难性故障的风险。不幸的是，超高压尖峰并不代表异常情况。根据湿度和鞋子的不同，您可以通过铺有地毯的房间累积高达1.5 kV的静电电荷。当应用于模具时，这种冲击可以克服材料半导体材料的静电电阻。放电采用极端局部加热的形式，这会在有源介质中产生穿孔，从而导致短路故障。

具有约50 V击穿电压的瞬态电压抑制二极管（TVS），例如Littelfuse的5KP系列，可以帮助保护器件。二极管可以承受5，000 W的峰值脉冲，响应时间优于1 ps。

连接到芯片的引线键合可能非常脆弱。环氧树脂封装通常可保护设备免受冲击和振动。也就是说，封装的LED包含许多不同的材料 - 导体，绝缘体，半导体，几乎所有材料都具有不同的热膨胀系数。结果，温度波动会引起材料膨胀的变化，导致机械应力，该机械应力会使导线断裂或以其他方式损害接触，通常导致开路形式的灾难性故障。使用良好的热管理实践将设备稳定在极端温度和快速热循环中是至关重要的。考虑导电或甚至主动冷却来解决问题。如果热量有问题，请注意寻找额定温度极限的元件。

开路可能是个问题，特别是对于与其他组件串联的LED。如果一个设备开路，它可以用整个字符串。 Bourns的LSP0900BJR-S并联保护器可以承受75 mA的击穿电流Ibo和33 V的转折电压Vbo。符合RoHS标准的器件可以防止开路失效的LED，允许电流绕过故障并继续到字符串的其余部分。如果您正在使用高可靠性应用程序，那么这是确保性能的好方法。