如何提高LED產品可靠性是業(yè)界的難題。但目前對于LED器件的可靠性問題研究很少，可以查閱的資料也有限。通過對失效LED器件的分析，本文介紹了幾種關于LED內部芯片、導電膠、鍵合、LED使用、LED焊接等方面的典型失效機理。
芯片缺陷
失效LED表現(xiàn)為正向壓降 ( Vf ) 增大。電測過程中發(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LED內部存在電連接不良。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極金屬化層之間開裂導致，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。
（a）全貌
（b）放大圖
圖1 LED芯片和負極金屬域開裂的形貌
LED芯片腐蝕
當LED芯片表面受到粘污，往往會在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)境試驗進行驗證：在烘烤后會有減小趨勢，進行潮熱試驗漏電流又能恢復。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行掃描電子顯微鏡分析，發(fā)光二極管處內鍵合點表面與鍵合區(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
與導電膠有關的失效機理
背面有電極的LED芯片往往通過導電膠進行粘接，作為LED的一個電極 ( 背面沒有電極的LED則可以采用其他不導電的膠進行粘接，兩個電極均采用鍵合進行電學連接)。導電膠一般由預聚體、稀釋劑、交聯(lián)劑、催化劑、金屬粉末以及其他的添加劑組成。導電膠的力學性能和粘接性能主要由預聚體決定。導電填料有碳、金屬 ( 銀、金、銅、鎳等) 、金屬氧化物三大類。
導電膠對于儲存、使用都有嚴格的規(guī)定，如：必須儲存在低溫環(huán)境中；必須在一定時間內使用完，沒有使用完的不能繼續(xù)使用；超過保質期不能使用；嚴格控制固化溫度和固化時間；環(huán)境濕度要有嚴格控制，基板等必須保持干燥，否則導電膠易于潮解，引起固化不良；基板等粘接界面必須保持清潔無污染等。若采用導電銀漿還需要防范銀遷移，以免導電電阻增加、形成額外的漏電通道。
導電膠粘接最容易產生的問題是粘接不良，導致導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。對器件進行溫度沖擊這些現(xiàn)象會加深或減小，對其施加機械壓力可能恢復正常，并可以多次復現(xiàn)。這種導電膠開裂的失效現(xiàn)象往往與封裝時銀漿的正確使用、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系。
圖3就是導電膠與底座粘接界面分層的例子。測試發(fā)現(xiàn)LED正向導通壓降有增大的現(xiàn)象，固封研磨后電鏡觀察發(fā)現(xiàn)導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，導致銀漿導電性能下降。圖4則是另一種失效機理：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會腐蝕銀漿中的銀顆粒，影響銀漿的導電性能，導致銀漿的粘接強度下降，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，若對銀漿控制不佳就會引入另一個失效機理：銀漿延伸至芯片表面，產生短路與漏電。在上板后測試發(fā)現(xiàn)LED呈現(xiàn)批次性失效，模式都是LED兩個電極之間有較大的漏電，開封LED 后發(fā)現(xiàn)導電膠點膠過多，在芯片粘接時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 導電銀漿延伸至芯片表面
鍵合不良導致LED開路
鍵合工藝是LED封裝時一個很重要的步驟，鍵合工藝不良很容易導致芯片損傷、鍵合絲損傷、鍵合絲與芯片或引腳鍵合強度不夠等故障，這些故障與鍵合機本身的狀態(tài)、鍵合機的參數(shù)設置、操作人員的熟練度等有關。
圖6是鍵合不良導致LED開路失效的例子。測試發(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，而非在后續(xù)的使用、焊接過程中分離。
圖 6 LED金絲鍵和不良導致開路
圖7則是金絲在內鍵合點金球附近存在斷裂，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、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芯片內鍵和頸縮處損傷與斷裂
封裝結構設計不當
LED芯片成分有 InGaN， AlInGaP 和 ZnSe 等半導體材料，這些材料往往比 Si 芯片更薄、更脆。若封裝設計不當，導致內部存在殘存應力，這些應力的存在就可能導致器件芯片開裂、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LED樣品進行失效分析發(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，裂紋處pn耐壓嚴重下降，而且，在潮濕的環(huán)境下，pn結處裂紋漏電增大。裂紋的產生與機械應力有關。
結合樣品的失效現(xiàn)場信息以及芯片的基板結構、芯片的電連接方式 ( 凸點倒裝焊接， 而非通常的金絲焊接) ，分析LED芯片開裂的原因是：機械應力在LED芯片的兩個電極之間形成相對的剪切力，通過凸點直接作用到LED芯片上，導致薄且脆的LED芯片受力開裂。機械應力的產生與熱變應力有關。
對于這種失效機理，建議對器件的封裝進行改進，譬如在芯片與基板之間添加填充料，為芯片提供機械支撐，以及調和基板、銅引出片、芯片之間的熱膨脹系數(shù)差異導致的機械應力; 改進銅引出片的形狀以減小熱膨脹導致的機械應力。
（a） 全貌
（b）SEM放大圖
圖 8 LED芯片上的裂紋
LED使用不當
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，就會燒毀器件 (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器件沒有設計靜電保護單元時， 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，通常也是采用導電膠進行電連接和機械固定。由于LED 的機械尺寸小，必須嚴格控制點膠位置和點膠量。若導電膠延伸到LED 兩電極之間，形成附加導電通道 ( 圖 10 ( a) ) 。這種短路原因可能是：導電銀漿涂覆過多；銀漿的黏度太小，導致銀漿流動性太大。當與基板焊接的銀漿定位不準、銀漿點膠量不夠時， 也會導致 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 的兩個電極與基板之間存在樹枝狀異物，研磨到相應位置時也發(fā)現(xiàn)部分失效樣品的電極與底部基板短接，同時 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物之間，綜合分析認為該異物是焊料在粘污或腐蝕性成分和電場的同時作用下，發(fā)生了電化學遷移，導致電極之間短路。圖 11 為焊錫遷移導致短路的照片。
（a）X射線照片
（b）光學照片
圖11 焊錫遷移導致短路
結語
以上從芯片設計、LED 封裝 ( 導電膠、鍵合、結構) 、LED 使用 ( 過流、ESD、焊接) 等方面對LED 常見的可靠性問題進行總結，并且提出了針對性的改進措施。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
