LED是一種直接將電能轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)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(diǎn)，目前已經(jīng)逐漸成為了一種新型高效節(jié)能產(chǎn)品，并且被廣泛應(yīng)用于顯示、照明、背光等諸多領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著LED技術(shù)的不斷進(jìn)步，其發(fā)光效率也有了顯著的提升，現(xiàn)有的藍(lán)光LED系統(tǒng)效率可以達(dá)到60%，而白光LED的光效已經(jīng)超過(guò)150lm/W，這些特點(diǎn)都使得LED受到越來(lái)越多的關(guān)注。

盡管LED理論壽命可達(dá)50kh以上，但由于各種因素的限制，實(shí)際應(yīng)用時(shí)LED通常無(wú)法達(dá)到如此之高的理論壽命，過(guò)早地發(fā)生故障，極大地妨礙LED這種新型節(jié)能型產(chǎn)品向前發(fā)展。為解決這一難題，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究并得出一些有意義的結(jié)論。

1、案例背景：

LED加電不亮，手輕壓可正常發(fā)光。

2、分析過(guò)程

X射線(xiàn)透視可明顯發(fā)現(xiàn)NG樣品上的兩根連接在LED內(nèi)部大晶片上的綁定線(xiàn)在綁定點(diǎn)端頭部分有明顯斷裂，內(nèi)部連接負(fù)極的一端綁定良好。正常樣品則未見(jiàn)任何異常。

采用化學(xué)方法對(duì)LED燈表面封裝膠體進(jìn)行腐蝕，并通過(guò)電子顯微鏡對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀(guān)察，可以清楚地發(fā)現(xiàn)芯片內(nèi)與正極相連的兩根金線(xiàn)端頭部位發(fā)生了顯著的機(jī)械應(yīng)力破裂，斷口上出現(xiàn)頸縮和金屬機(jī)械拉尖。破裂的部位都位于綁定頸部的部位，且綁定點(diǎn)的部位綁定效果較好。剖面觀(guān)察沒(méi)有發(fā)現(xiàn)LED半球形封膠體存在明顯裂紋和氣孔等封裝缺陷。

根據(jù)LED打開(kāi)后內(nèi)部結(jié)構(gòu)，樣品與普通LED封裝不同，晶片正極綁定點(diǎn)是帶有尾翼的第二綁定點(diǎn)（通常第二個(gè)綁定點(diǎn)在晶片封裝時(shí)強(qiáng)度較弱，容易出現(xiàn)破裂等異常情況），并且在框架負(fù)極處綁定點(diǎn)相反是球型中的第一個(gè)綁定點(diǎn)。出現(xiàn)機(jī)械斷裂的恰恰是帶有尾翼的第二綁定點(diǎn)部位，這個(gè)部位在立體空間中比負(fù)極第一綁定點(diǎn)高，受外界機(jī)械應(yīng)力作用較大。

A點(diǎn)，芯片電極與金球結(jié)合處；

B點(diǎn)，金球與金線(xiàn)結(jié)合處即球頸處；

C點(diǎn)，焊線(xiàn)線(xiàn)弧所在范圍；

D點(diǎn)，支架二焊點(diǎn)與金線(xiàn)結(jié)合處；

E點(diǎn)，支架二焊點(diǎn)與支架鍍層結(jié)合處。

3、失效模式

1.晶片失效

晶片失效是指晶片本身失效或其它原因造成晶片失效。造成這種失效的原因往往有很多種，晶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)致晶片產(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，直至完全失效。二是若芯片有源區(qū)原來(lái)已有損壞，則將使加電時(shí)逐步劣化至故障，同樣使燈具運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的光衰至不亮。再者如果晶片粘結(jié)工藝不佳，使用時(shí)將使晶片粘結(jié)層與粘結(jié)面徹底分離，使試樣開(kāi)路失效，這同樣會(huì)使LED使用時(shí)出現(xiàn)“死燈”的情況。晶片粘結(jié)工藝差的原因可能是所用銀漿（絕緣膠）已過(guò)期或暴露時(shí)間太長(zhǎng)，銀漿（絕緣膠）用量太少，固化時(shí)間太長(zhǎng)，固晶基面受到污染。

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。一些研究顯示，光波長(zhǎng)愈短，光透過(guò)率惡化愈嚴(yán)重，但對(duì)綠光上方波長(zhǎng)（即大于560nm）的影響則不大。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(xiàn),19kh后，用硅樹(shù)脂封裝的功率器件，光通量仍然能保持最初的80%。而環(huán)氧樹(shù)脂包裝對(duì)比曲線(xiàn)顯示6kh以后光通量維持率只有50%。證明了當(dāng)芯片發(fā)光效率不變時(shí)，芯片附近環(huán)氧樹(shù)脂顯著轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)楹稚?。這一顯著退化過(guò)程主要是光照和溫升導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂光透過(guò)率惡化所致。同時(shí)，當(dāng)藍(lán)光刺激黃色熒光粉發(fā)白光時(shí),LED封裝透鏡褐變對(duì)反射性有影響，并使發(fā)藍(lán)光不足以刺激黃色熒光粉使光效及光譜分布產(chǎn)生變化。

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(xiàn)變質(zhì)、PCB銅線(xiàn)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。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)系圖如下。

在對(duì)不同廠(chǎng)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°C下，使用3.2V電壓驅(qū)動(dòng)，并規(guī)定了當(dāng)試樣光功率降至起始值50%時(shí)即被判定無(wú)效。上圖中試驗(yàn)結(jié)果表明，高功率LED壽命隨加速壽命試驗(yàn)溫度和加速時(shí)間延長(zhǎng)而降低。加速壽命試驗(yàn)中LED結(jié)溫的提高將使環(huán)氧樹(shù)脂材料產(chǎn)生異變，進(jìn)而使系統(tǒng)熱阻增大，使芯片和封裝受熱表面劣化并最終造成封裝失效。

4.電過(guò)應(yīng)力失效

LED如果遭受過(guò)電流（EOS）或靜電沖擊（ESD）等因素的影響，均可能導(dǎo)致晶片開(kāi)路而形成電過(guò)應(yīng)力故障。如GaN為寬禁帶材料、電阻率大。若采用這種晶片，由于靜電引起的感生電荷在制造過(guò)程中不容易消失，當(dāng)積累到相當(dāng)程度后，就能產(chǎn)生較高靜電電壓，一旦該電壓超出材料承受能力時(shí)，將出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象和放電現(xiàn)象，使器件出現(xiàn)故障。

5.鍵合失效

LED制造過(guò)程中鍵合條件不當(dāng)，若鍵合力過(guò)大將會(huì)壓傷晶片，反之則會(huì)造成器件的鍵合強(qiáng)度不足，使得器件容易脫松，或完全未形成良好的鍵合界面。對(duì)某些使用垂直芯片LED燈珠而言，固晶層底部從支架鍍層上剝落是較普遍失效原因。下圖故障樣本是直插式LED燈珠在使用中死燈現(xiàn)象，不良率1.5%。失效樣品的截面檢查表明金線(xiàn)焊點(diǎn)都完好無(wú)損。但是發(fā)現(xiàn)固晶層從支架鍍層上被徹底剝脫，同時(shí)封裝膠從支架杯壁處被剝脫。

由以上觀(guān)察到的現(xiàn)象可以判定，造成燈珠失效的原因是封裝膠水與支架界面間出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，剝離程度和區(qū)域隨著使用過(guò)程加劇而擴(kuò)展，進(jìn)一步造成固晶膠與支架剝離，最終導(dǎo)致樣品出現(xiàn)失效。也可能是封裝膠水粘接性不良造成封裝膠水與支架界面間出現(xiàn)分層。

6.機(jī)械應(yīng)力失效

LED在SMT工藝流轉(zhuǎn)、測(cè)試或運(yùn)輸中，外部的夾具、模具或其它硬質(zhì)的材料撞擊LED燈封裝體，導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)瞬間移位拉斷內(nèi)部綁定線(xiàn)。這類(lèi)失效發(fā)現(xiàn)在較軟封裝體的幾率較大。

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(kāi)裂、功能退化等可靠性問(wèn)題。下圖分析的案例也是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(yáng)極引出片右邊緣。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)。

根據(jù)樣品的失效信息，結(jié)合芯片的襯底結(jié)構(gòu)，芯片的電連接方式（凸點(diǎn)采用倒裝焊接而不是一般金絲焊接），分析了LED芯片開(kāi)裂的原因是機(jī)械應(yīng)力在LED芯片的兩電極之間形成了相對(duì)的剪切力，并提出了相應(yīng)的解決措施，通過(guò)凸點(diǎn)對(duì)LED芯片直接施加作用力，使薄而脆性大的LED芯片產(chǎn)生力裂縫。機(jī)械應(yīng)力和熱變應(yīng)力有一定關(guān)系。

4、改善措施：

通過(guò)對(duì)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(shí)際使用壽命的技術(shù)方法。

1.散熱技術(shù)

散熱技術(shù)一直以來(lái)都是LED應(yīng)用中的重要組成部分，若LED器件不能及時(shí)散熱則芯片結(jié)溫將會(huì)嚴(yán)重上升，進(jìn)而發(fā)光效率大幅降低，可靠性（如壽命、色移等）也會(huì)變差。在這同時(shí)高溫高熱會(huì)導(dǎo)致LED封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力并可能會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致一系列可靠性問(wèn)題。所以在制作過(guò)程中，可選用導(dǎo)熱性良好的底座并使LED散熱面積盡量大以提高器件散熱性能。

2.防靜電技術(shù)

以GaN作為芯片的LED，在使用中存在的一個(gè)很大問(wèn)題就是靜電效應(yīng)，如果不處理好這一問(wèn)題，就會(huì)嚴(yán)重影響到器件的壽命。因此，在LED設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到防靜電的設(shè)計(jì)，以避免器件因?yàn)楦哽o電電壓造成擊穿等失效現(xiàn)象。

3.封裝技術(shù)

封裝用環(huán)氧樹(shù)脂材料由于光照和溫升等原因?qū)е缕涔馔高^(guò)率惡化，使用過(guò)程中呈現(xiàn)原來(lái)透明環(huán)氧樹(shù)脂材料褐變現(xiàn)象，從而影響了器件原有光譜功率分布。所以，當(dāng)LED封裝完成后，應(yīng)嚴(yán)格控制固化溫度，以免封裝完成后，已導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂過(guò)早老化。另一方面為避免器件出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，選用透明性良好的封裝材料時(shí)，應(yīng)注意注塑時(shí)盡可能將材料內(nèi)氣泡排出，為了減少水氣的殘留和減少器件被腐蝕的可能性。

4.優(yōu)化制造工藝

LED在制造過(guò)程中需具備適當(dāng)?shù)逆I合條件，如果鍵合過(guò)度大將芯片將被壓傷，反之將導(dǎo)致器件鍵合強(qiáng)度不夠，使器件易脫松。所以在確保器件鍵合強(qiáng)度前提下，必須盡可能地減小鍵合過(guò)程中對(duì)芯片的破壞，從而實(shí)現(xiàn)鍵合工藝優(yōu)化。在粘接芯片過(guò)程中，需要將溫度控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，使焊料滿(mǎn)足密實(shí)、不產(chǎn)生空洞、殘余應(yīng)力低的技術(shù)要求。

5.合理篩選

LED出廠(chǎng)之前，可加入一個(gè)篩選工藝，即通過(guò)對(duì)部分樣品的合理老化篩選試驗(yàn)來(lái)排除部分有提前失效可能性的設(shè)備，從而減少LED實(shí)際應(yīng)用時(shí)提前失效。

5、案例結(jié)論

造成失效試樣LED加電未點(diǎn)亮、手輕壓即可正常點(diǎn)亮（開(kāi)路）的主要原因?yàn)镹G試樣在外界機(jī)械應(yīng)力作用下內(nèi)部晶片第二綁定點(diǎn)機(jī)械應(yīng)力破裂。