大功率LED失效机制分析

2018-02-15赵敏

精品 2018年4期

赵敏

惠州雷曼光电科技有限公司

1 前言

早在一百多年前的 1907 年，英国科学家就发现了碳化硅晶体在电流作用下会发光，二十年后俄罗斯科学家也验证这一点。1935年法国科学家则发现了硫化锌粉末在电流作用下发光的特质，提出了今天所熟知的“电致发光”。此阶段是半导体科学研究的起始，随着50年代半导体物理学发展起来，半导体工业产业规模化发展下，发光二极管的研究飞速发展。1965 年红外发光 LED 已经量化生产并投入使用，70年代时期，绿光、黄光LED也被相继研发出来，以半导体材料为基础的二极管性发光器件实现了快速发展，但是发光效率依然较低，无法应用于照明领域。随着氮化镓(GaN)基材料制备技术发展，LED的功率也在不断的提升，光电转化效率的不断提高，商用白光led也能够达到160lm／W，为白光LED取代传统光源提供了可能，其应用的范围越来越广泛。发光二极管本质上是个 PN 结，P 区中有过量的空穴，N 区有过量的电子，在经过复杂的空穴和电子扩散、势垒的作用形成的平衡态下，当给发光二极管加正向电压时，产生自发辐射 200～1550 nm 波长范围的。

LED的失效可以定义为执行规定功能能力的终止，LED的失效经过显著的失效发展阶段，会形成严重失效和参数失效，前者是光电参数的改变引起的LED死灯，后者则是电参数由初始改变一直超出一定界限。随着大功率LED的越来越普及，LED的失效问题也越来越频繁。本文以大功率 LED 器件的可靠性出发，结合失效理论和原因分析，探讨大功率LED的失效机制问题，为LED的实际应用中提升其可靠性提供实践上的依据。

2 大功率LED失效过程和原理分析

2.1 失效的发展

LED失效分为三个阶段，第一阶段是早期失效，属于原材料和工艺加工的缺陷造成的失效，在初期失效率高，但是随着工作的推进，失效率逐步降低。失效率代表在单位时间内的失效概率。第二阶段是随机失效阶段，也是偶然失效，当进入了相对稳定的工作阶段，是产品的最佳使用阶段，这一阶段的失效是由于环境和使用不当造成的突变性失效。第三阶段是耗损失效期，经过长时间的运作，LED产品的疲劳和老化下，光电参数衰退，失效率开始大幅增加，产品也走向寿命末期。

2.2 失效形式

第一，片材料缺陷引起的光通量输出衰减，究LED老化的过程中距离导带1．1eV的深能级缺陷密度快速增加，使异质结分割面晶格失配产生的密度增加，构成了新的能级从而使得发光效率降低。

第二，迁移和退化。LED经过老化后，隧道电流、扩散电流、反向漏电路均有所增长，金属杂质顺着缺陷向结区迁移，降低了LED的发光效率。

第三，荧光粉和环氧树脂的降解失效。LED工作的高温会使得LED发出的光产生红移，光热作用降低发光效率。

第四，大功率LED的电阻一般都比较低，瞬间的静电容易击穿或者局部破坏LED的结构，引起灾难性的失效。

2.3 失效模式

LED的失效模式有5类：芯片失效芯片材料缺陷、芯片电极接触不良、芯片污染。封装失效是封装材料退化或结构变化、荧光粉失效；电过应力失效如过电流冲击、过电压冲击、静电损伤；装配失效如焊接不良、装配不当。

从以上的失效模式来看，静电、电流、温度是造成失效的最主要原因。工作电流过大会引起芯片温度偏高，引起Ga-N键断裂，使芯片缓慢老化。过大电流还会引起电迁移，导致芯片失效。静电在生活中无处不在，静电释放会引起高压并击穿电介质，或是形成电流通路，给芯片带来损害。温度太高则会造成内量子效率降低，达到一定的临界值还会引起芯片的破裂。

3 LED失效分析

先无损后有损，先外观检查是LED失效分析的原则，在实践中分析方法有为外观检测，电性能测试，X射线透视检测，开封，金相切片分析，扫描电镜，能谱分析和其他的分析手段。

外观检测是直观的通过显微镜检测的方式观察产品外观特性，排除其他的异常原因。过电参数的测试可以发现LED的异常之处，从而反推失效部位和原因。X-ray射线透视的原理是利用不同位置材料的吸收率和折射率差异测样品内部缺陷，探查线键和外部的焊接情况。开封检测是一种破坏性的检测方式，只是一种去除手段，如需进一步检测需要配合光学显微镜、电学显微镜和光谱仪进行。可靠性试验是指在热、湿、电、机械应力等不同条件下测试LED完成规定功能的能力，快速评测产品的可靠性指标。