如何提高LED產(chǎn)品可靠性是業(yè)界的難題。但目前對(duì)于LED器件的可靠性問題研究很少，可以查閱的資料也有限。通過對(duì)失效LED器件的分析，本文介紹了幾種關(guān)于LED內(nèi)部芯片、導(dǎo)電膠、鍵合、LED使用、LED焊接等方面的典型失效機(jī)理。
芯片缺陷
失效LED表現(xiàn)為正向壓降 ( Vf ) 增大。電測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，其正向壓降增大，并且隨著正向電壓的增加，樣品仍能發(fā)光。推測(cè)LED內(nèi)部存在電連接不良。固封、研磨LED樣品后，SEM 觀察到金屬化層從LED芯片上開裂，而不是鍵合絲與金屬化層之間開裂。這說明樣品正向壓降的增大是由于芯片與其負(fù)極金屬化層之間開裂導(dǎo)致，見圖1?？赡茉蚴窃诘矸e金屬化之前，氧化層受到玷污，或者水汽控制不佳，導(dǎo)致金屬化層與其下的氧化層之間粘附不良。這種失效屬于芯片本身制程工藝過程存在缺陷，而與封裝工藝無關(guān)。
（a）全貌
（b）放大圖
圖1 LED芯片和負(fù)極金屬域開裂的形貌
LED芯片腐蝕
當(dāng)LED芯片表面受到粘污，往往會(huì)在LED電極之間引入較大的漏電流。這種漏電流一般能夠通過環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證：在烘烤后會(huì)有減小趨勢(shì)，進(jìn)行潮熱試驗(yàn)漏電流又能恢復(fù)。圖2就是在將LED樣品表面的透明灌封料減薄后，觀察到LED芯片上有黑色多余物。將芯片開封出來后進(jìn)行掃描電子顯微鏡分析，發(fā)光二極管處內(nèi)鍵合點(diǎn)表面與鍵合區(qū)的黑色附著物為腐蝕生成物，含有異常元素Na和Cl。
圖2 芯片表面腐蝕物
與導(dǎo)電膠有關(guān)的失效機(jī)理
背面有電極的LED芯片往往通過導(dǎo)電膠進(jìn)行粘接，作為LED的一個(gè)電極 ( 背面沒有電極的LED則可以采用其他不導(dǎo)電的膠進(jìn)行粘接，兩個(gè)電極均采用鍵合進(jìn)行電學(xué)連接)。導(dǎo)電膠一般由預(yù)聚體、稀釋劑、交聯(lián)劑、催化劑、金屬粉末以及其他的添加劑組成。導(dǎo)電膠的力學(xué)性能和粘接性能主要由預(yù)聚體決定。導(dǎo)電填料有碳、金屬 ( 銀、金、銅、鎳等) 、金屬氧化物三大類。
導(dǎo)電膠對(duì)于儲(chǔ)存、使用都有嚴(yán)格的規(guī)定，如：必須儲(chǔ)存在低溫環(huán)境中；必須在一定時(shí)間內(nèi)使用完，沒有使用完的不能繼續(xù)使用；超過保質(zhì)期不能使用；嚴(yán)格控制固化溫度和固化時(shí)間；環(huán)境濕度要有嚴(yán)格控制，基板等必須保持干燥，否則導(dǎo)電膠易于潮解，引起固化不良；基板等粘接界面必須保持清潔無污染等。若采用導(dǎo)電銀漿還需要防范銀遷移，以免導(dǎo)電電阻增加、形成額外的漏電通道。
導(dǎo)電膠粘接最容易產(chǎn)生的問題是粘接不良，導(dǎo)致導(dǎo)電膠與芯片或引線架開裂，最終LED工作不穩(wěn)定、串聯(lián)電阻增大、擊穿電壓加大，甚至開路。對(duì)器件進(jìn)行溫度沖擊這些現(xiàn)象會(huì)加深或減小，對(duì)其施加機(jī)械壓力可能恢復(fù)正常，并可以多次復(fù)現(xiàn)。這種導(dǎo)電膠開裂的失效現(xiàn)象往往與封裝時(shí)銀漿的正確使用、各種封裝材料之間的熱膨脹系數(shù)匹配、芯片粘接面和基板表面的潔凈度有很大關(guān)系。
圖3就是導(dǎo)電膠與底座粘接界面分層的例子。測(cè)試發(fā)現(xiàn)LED正向?qū)▔航涤性龃蟮默F(xiàn)象，固封研磨后電鏡觀察發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電膠和引腳連接界面存在顯的分層，芯片與銀漿粘接面未見分離界面。
（a）全貌
（b）放大圖
圖3 導(dǎo)電膠和底座粘接界面分開
銀漿也容易受到污染物的腐蝕，導(dǎo)致銀漿導(dǎo)電性能下降。圖4則是另一種失效機(jī)理：失效LED芯片的銀漿與基板分離，而且分離面的銀漿表面附著一層腐蝕性生成物，EDS分析發(fā)現(xiàn)腐蝕性元素Cl。Cl會(huì)腐蝕銀漿中的銀顆粒，影響銀漿的導(dǎo)電性能，導(dǎo)致銀漿的粘接強(qiáng)度下降，最終基板與芯片之間開路。
（a）SEM照片
（b）EDS能譜圖
圖4 銀漿表面異物和其中的腐蝕性元素Cl
LED芯片本身物理尺寸很小，因此在用銀漿粘接和電連接時(shí)，若對(duì)銀漿控制不佳就會(huì)引入另一個(gè)失效機(jī)理：銀漿延伸至芯片表面，產(chǎn)生短路與漏電。在上板后測(cè)試發(fā)現(xiàn)LED呈現(xiàn)批次性失效，模式都是LED兩個(gè)電極之間有較大的漏電，開封LED 后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電膠點(diǎn)膠過多，在芯片粘接時(shí)銀漿延伸至芯片表面，與芯片上無鈍化層的金布線形成短路通道 ( 圖 5) 。
圖5 導(dǎo)電銀漿延伸至芯片表面
鍵合不良導(dǎo)致LED開路
鍵合工藝是LED封裝時(shí)一個(gè)很重要的步驟，鍵合工藝不良很容易導(dǎo)致芯片損傷、鍵合絲損傷、鍵合絲與芯片或引腳鍵合強(qiáng)度不夠等故障，這些故障與鍵合機(jī)本身的狀態(tài)、鍵合機(jī)的參數(shù)設(shè)置、操作人員的熟練度等有關(guān)。
圖6是鍵合不良導(dǎo)致LED開路失效的例子。測(cè)試發(fā)現(xiàn)LED樣品開路，X 射線下發(fā)現(xiàn)樣品芯片上兩個(gè)金絲鍵合不一致，制作金相切片發(fā)現(xiàn) LED的鍵合絲與鍵合球分離，導(dǎo)致器件開路。從金絲鍵合的形狀和切片形貌分析，開路與封裝工藝有關(guān)，而非在后續(xù)的使用、焊接過程中分離。
圖 6 LED金絲鍵和不良導(dǎo)致開路
圖7則是金絲在內(nèi)鍵合點(diǎn)金球附近存在斷裂，引起樣品呈現(xiàn)開路或大串連電阻的特性。從圖中可以看出金絲變細(xì)、斷裂、無過流過熱特征，該處灌封材料也未見空洞等 異常， 表明金絲變細(xì)是在LED灌封前就存在損傷，即樣品鍵合絲頸縮處異常是由于鍵合工藝控制不佳所致。
（a） X射線照片
（b）金相切片照片
圖7 LED芯片內(nèi)鍵和頸縮處損傷與斷裂
封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)
LED芯片成分有 InGaN， AlInGaP 和 ZnSe 等半導(dǎo)體材料，這些材料往往比 Si 芯片更薄、更脆。若封裝設(shè)計(jì)不當(dāng)，導(dǎo)致內(nèi)部存在殘存應(yīng)力，這些應(yīng)力的存在就可能導(dǎo)致器件芯片開裂、功能退化等可靠性問題。
分析的案例也是LED樣品上板后出現(xiàn)大批量的失效。對(duì)LED樣品進(jìn)行失效分析發(fā)現(xiàn): 所有發(fā)光二極管的芯片都存在有裂紋，并且裂紋位置相同：都位于芯片的右邊區(qū)域，即靠近陽極引出片右邊緣，見圖8。裂紋貫穿pn結(jié)，裂紋處pn耐壓嚴(yán)重下降，而且，在潮濕的環(huán)境下，pn結(jié)處裂紋漏電增大。裂紋的產(chǎn)生與機(jī)械應(yīng)力有關(guān)。
結(jié)合樣品的失效現(xiàn)場(chǎng)信息以及芯片的基板結(jié)構(gòu)、芯片的電連接方式 ( 凸點(diǎn)倒裝焊接， 而非通常的金絲焊接) ，分析LED芯片開裂的原因是：機(jī)械應(yīng)力在LED芯片的兩個(gè)電極之間形成相對(duì)的剪切力，通過凸點(diǎn)直接作用到LED芯片上，導(dǎo)致薄且脆的LED芯片受力開裂。機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生與熱變應(yīng)力有關(guān)。
對(duì)于這種失效機(jī)理，建議對(duì)器件的封裝進(jìn)行改進(jìn)，譬如在芯片與基板之間添加填充料，為芯片提供機(jī)械支撐，以及調(diào)和基板、銅引出片、芯片之間的熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力; 改進(jìn)銅引出片的形狀以減小熱膨脹導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力。
（a） 全貌
（b）SEM放大圖
圖 8 LED芯片上的裂紋
LED使用不當(dāng)
1 LED 過流后燒毀
若LED器件的電流超過器件本身能夠承受的極限時(shí)，就會(huì)燒毀器件 (圖9) 。大電流的來源主要有：外部正向電壓過大；LED 特性退化；散熱不良導(dǎo)致器件發(fā)生熱奔。
（a）金絲熔斷
（b）芯片裂開
圖9 LED的鍵合絲過流過熱熔斷，芯片過熱后開裂
2 LED靜電擊穿
若LED器件沒有設(shè)計(jì)靜電保護(hù)單元時(shí)， 很容易就受到靜電損傷。
3 LED焊接失效
LED 焊接到PCB板或柔性電路板 ( FPC) 時(shí)，通常也是采用導(dǎo)電膠進(jìn)行電連接和機(jī)械固定。由于LED 的機(jī)械尺寸小，必須嚴(yán)格控制點(diǎn)膠位置和點(diǎn)膠量。若導(dǎo)電膠延伸到LED 兩電極之間，形成附加導(dǎo)電通道 ( 圖 10 ( a) ) 。這種短路原因可能是：導(dǎo)電銀漿涂覆過多；銀漿的黏度太小，導(dǎo)致銀漿流動(dòng)性太大。當(dāng)與基板焊接的銀漿定位不準(zhǔn)、銀漿點(diǎn)膠量不夠時(shí)， 也會(huì)導(dǎo)致 LED 器件開路 ( 圖 10( b) ) 。
（a）銀漿橋連
（b）銀漿開路
圖10 焊接LED與柔性板的銀漿異常
4 柔性電路板焊料遷移
測(cè)試發(fā)現(xiàn)柔性板上 LED 不亮。由 X-RAY 和金相切片分析發(fā)現(xiàn)：失效 LED 的兩個(gè)電極與基板之間存在樹枝狀異物，研磨到相應(yīng)位置時(shí)也發(fā)現(xiàn)部分失效樣品的電極與底部基板短接，同時(shí) EDS 分析出樹枝狀異物的主要成分為 Sn，這說明 LED 短路( 不亮) 是由于其電極與基板之間 Sn 遷移短路所致。這些樹狀異物位于基板的有機(jī)物之間，綜合分析認(rèn)為該異物是焊料在粘污或腐蝕性成分和電場(chǎng)的同時(shí)作用下，發(fā)生了電化學(xué)遷移，導(dǎo)致電極之間短路。圖 11 為焊錫遷移導(dǎo)致短路的照片。
（a）X射線照片
（b）光學(xué)照片
圖11 焊錫遷移導(dǎo)致短路
結(jié)語
以上從芯片設(shè)計(jì)、LED 封裝 ( 導(dǎo)電膠、鍵合、結(jié)構(gòu)) 、LED 使用 ( 過流、ESD、焊接) 等方面對(duì)LED 常見的可靠性問題進(jìn)行總結(jié)，并且提出了針對(duì)性的改進(jìn)措施。希望能為業(yè)界解決 LED 方面故障提供參考，從而提供 LED 器件的良品率和可靠性。
數(shù)據(jù)來源 3qled 顯示之家
