LED主要失效模式分析

LED是一種直接將電能轉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，目前已經逐漸成為了一種新型高效節(jié)能產品，并且被廣泛應用于顯示、照明、背光等諸多領域。近年來，隨著LED技術的不斷進步，其發(fā)光效率也有了顯著的提升，現(xiàn)有的藍光LED系統(tǒng)效率可以達到60%；而白光LED的光效已經超過150lm/W，這些特點都使得LED受到越來越多的關注。
　　目前，雖然LED的理論壽命可以達到50kh，然而在實際使用中，因為受到種種因素的制約，LED往往達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)能型產品的前進步伐。為了解決這一問題，很多學者已經開展了相關研究，并且得到了一些重要的結論。本文就是在此基礎上，對造成LED失效的重要因素進行系統(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、熱過應力失效、電過應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，進行詳細的分析。
　　(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，造成較大的應力，隨著熱量積累所產生的熱機械應力也隨之加強，導致芯片產生微裂紋，工作時注入的電流會進一步加劇微裂紋使之不斷擴大，直至器件完全失效[4]。其次，如果芯片有源區(qū)本來就有損傷，那么會導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重直至不亮。再者，若芯片粘結工藝不良，在使用過程中會導致芯片粘結層完全脫離粘結面而使得樣品發(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。導致芯片粘結工藝不良的原因，可能是由于使用的銀漿過期或者暴露時間過長、銀漿使用量過少、固化時間過長、固晶基面被污染等。
　　(2) 封裝失效
　　封裝失效是指封裝設計或生產工藝不當導致器件失效。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重，但是對于綠光以上波長(即大于560nm)來說，這種影響并不嚴重。Lumileds2003年曾公布過功率LED白光器件和φ5白光器件的壽命實驗曲線，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%。實驗表明，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，在由藍光激發(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部，導致引線變質、PCB銅線銹蝕;有時，隨水汽引入的可動導電離子會駐留在芯片表面，從而造成漏電。此外，封裝質量不好的器件，在其封裝體內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) 熱過應力失效
　　溫度一直是影響LED光學性質的重要因素，而在研究LED失效模式的時候，國內外學者考慮到將工作環(huán)境溫度作為加速應力，來進行LED加速壽命實驗[8,9]。這是因為在LED系統(tǒng)熱阻不變的前提下，封裝引腳焊接點的溫度升高，則結溫也會隨之升高，從而導致LED提前失效。

 
 
　　圖1高功率LED的模型結構圖以及在工作環(huán)境溫度分別為(a)120℃、(b)100℃和(c)80℃下輻射功率和加速時間的關系圖

　　Hsu等人對不同廠商所提供的LED樣品進行加速壽命實驗，該實驗將LED樣品分別置于80、100、120℃下，使用3.2V電壓驅動，并且規(guī)定當樣品的光功率下降到起始值的50%時，即判定為失效。圖1實驗結果表明：高功率LED的壽命隨著加速壽命實驗溫度的升高以及加速時間的增加而減小。在加速壽命實驗中，LED結溫升高會使得環(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，最終導致封裝失效[9]。
　　(4) 電過應力失效
　　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，在生產過程中因靜電產生的感生電荷不易消失，當其累積到相當?shù)某潭葧r，可以產生很高的靜電電壓，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在實際使用壽命的技術方法。
　　(1) 散熱技術
　　散熱技術一直是影響LED應用的重要環(huán)節(jié)，如果LED器件不能夠及時散熱，就會導致芯片的結溫嚴重升高，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，高溫高熱將使LED封裝結構內部產生機械應力，可能進一步引發(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
　　在第2.4節(jié)中已經提到，以GaN作為芯片的LED，在使用中存在的一個很大問題就是靜電效應，如果不處理好這一問題，就會嚴重影響到器件的壽命。因此，在LED設計時，要充分考慮到防靜電的設計，以避免器件因為高靜電電壓造成擊穿等失效現(xiàn)象。
　　(3) 封裝技術
　　封裝所用的環(huán)氧樹脂材料，會因為光照以及溫升而引起其光透過率的劣化，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，在進行LED封裝的時候，我們要嚴格控制固化的溫度，避免在進行封裝的時候，就已經造成了環(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，要注意注塑過程中，盡量排干凈材料內部的氣泡，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度不足，使得器件容易脫松。因此，在保證器件鍵合強度的同時，需要盡量降低鍵合工藝對芯片造成的損傷，以達到優(yōu)化鍵合工藝的目的。
　　在進行芯片的粘接時，要求控制溫度和時間在合適的范圍之內，使得焊料達到致密，無空洞，殘余應力小等工藝要求。
　　(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行合理的老化和篩選試驗，剔除一些可能發(fā)生提前失效的器件，以降低LED在實際使用中的提前失效現(xiàn)象。
　　結論
　　綜上所述，盡管LED具有很高的理論壽命，但是在實際使用過程中，受芯片、封裝、應力等因素的影響，使用時間遠遠不能達到所預期的理論值。為了確實提高LED的壽命，無論是在制造工藝上，還是在應用層面上，都需要更進一步的研究、探索和實踐。隨著LED技術的不斷發(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，就能在實踐中確實改善LED器件的性能，將這種新型光源推廣到應用領域的前端，更好地服務于生產和生活。