LED芯片失效和封装失效的原因分析

shuszhao

LED照明和背光灯技术在近十几年已经取得了显著的进步，作为公认的新型下一代绿色光源，LED光源已出现在传统照明等领域，但LED光源尚存在很多没有解决的问题。
其中包括一致性较差、成本较高和可靠性差等，其中最主要的问题就是稳定性和可靠性问题。虽然目前预测LED光源的寿命超过5万小时。但这个寿命指的是理论寿命，光源在25℃下的使用寿命。在实际使用过程中，会遇到高温、高湿等恶劣环境，放大LED光源缺陷，加速材料老化，使LED光源快速失效。


失效模式的物理机理

LED灯珠是一个由多个模块组成的系统。每个组成部分的失效都会引起LED灯珠失效。 从发光芯片到LED灯珠，失效模式有将近三十种，如表1，LED灯珠的失效模式表所示。这里将LED从组成结构上分为芯片和外部封装两部分。 那么， LED失效的模式和物理机制也分为芯片失效和封装失效两种来进行讨论。

                               
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表1 LED灯珠失效模式


引起LED芯片失效的因素主要包括：静电、电流和温度。

静电放电可释放瞬间超高电压，给LED芯片带来很大的危害，ESD导致的LED芯片失效分为软失效和硬失效两种模式。由静电带来的高电压/电流导致LED芯片短路成为硬失效模式。LED芯片短路的原因是过高的电压使电解质破裂，或者过高的电流密度是芯片中产生电流通路。
静电释放稍微低一些的电压/电流会导致LED芯片的软失效。软失效通常伴随着芯片反向漏电流的减小，这可能是由于高反向电流使一部分漏电流的路径消失引起的。相比于垂直LED芯片，静电对水平LED芯片的危害较大。因为水平LED芯片的电极在芯片同一侧，静电产生的瞬间高电压更容易使芯片上的电极短路，从而引起LED芯片失效。
大电流也会带来LED芯片的失效：一方面大电流会带来比较高的结温；另一方面，具有高动力能的电子进入了PN结会使Mg-H键和Ga-N键断裂。
Mg-H键的断裂会进一步激活p层的载流子，使LED芯片在老化开始时有一个光功率上升阶段，而Ga-N键的断裂会形成氮空位。氮空位增加了非辐射复合的可能性，从而解释了器件的光功率的衰减。氮空位的形成要达到平衡时一个很漫长的过程，这是LED芯片缓慢老化的主要原因。
同时，大电流会带来LED芯片内部的电流拥挤，LED芯片内的缺陷密度越大，电流拥挤的现象越严重。过大的电流密度会引起金属的电迁移现象，使得LED芯片失效。另外InGaN发光二极管在电流和温度双重作用下，在有效掺杂的p层中还会出现很不稳定的Mg-H2复合物。
温度对LED芯片的影响主要是使内量子效率降低和LED芯片寿命变短。这是因为内量子效率是温度函数，温度越高内量子效率越低，同时，温度对材料的老化作用会使欧姆接触和LED芯片内部材料的性能变差。另外，高的结温使得芯片内温度分布不均匀，产生应变，从而降低内量子效率和芯片的可靠性。热应力大到一定程度，还可能造成LED芯片破裂。


引起LED封装失效的因素主要包括：温度、湿度和电压。

目前，研究的最为深入和广泛的是温度对LED封装可靠性的影响。温度使LED模块及系统失效的原因在于以下几个方面：
（1）高温会使封装材料降解加快、性能下降；
（2）结温对LED的性能会产生很大的影响。过高的结温会使荧光粉层烧黑碳化，使得LED光效急剧降低或造成灾难性失效。另外，由于硅胶和荧光粉颗粒之间的折射率和热膨胀系数不匹配，过高的温度会使荧光粉的转换效率下降，并且掺的荧光粉比例越高，光效下降的越厉害；
（3）由于封装材料之间热传导系数的不匹配，温度梯度和温度分布的不均匀，材料内部可能产生裂纹或者在材料之间界面产生脱层。这些裂纹及脱层都会引起光效下降，芯片、荧光粉层之间的脱层可使取光效率下降，荧光粉层与灌封硅胶之间的脱层最高可使取光效率下降20%以上。硅胶与基板之间的脱层甚至有可能导致金线断裂，造成灾难性失效。
通过有关高湿环境实验研究发现，湿气的侵入不但使得LED光效下降，而且有可能导致LED的灾难性失效。通过85℃/ 85%RH高温高湿可靠性加速实验研究发现，湿气在分层缺陷的形成中起着重要的作用，分层现象的产生使得LED的光效下降，不同芯片表面粗糙不同导致了不同的失效模式。