LED可能出現(xiàn)的失效問(wèn)題

在生活中處處可以見(jiàn)到LED的影子，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。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)。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：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。

(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(lèi)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。

雖然LED在生活中處處可見(jiàn)，但是LED也還有一些不足需要我們的設(shè)計(jì)人員擁有更加專(zhuān)業(yè)的知識(shí)儲(chǔ)備，這樣才能設(shè)計(jì)出更加符合生活所需的產(chǎn)品。