1、103015doi：103969jissn1003353x201LED典型失效機理肖詩滿，彭澤亞，李少平(工業和信息化部電子第五研究所，廣州510610)摘要：鑒于LED芯片尺寸較小，散熱和成本的壓力，LED封裝難度很大，暴露出來的可靠性問題也最多。LED失效后，往往能夠通過電參數測試、內部形貌分析、剖面檢查、SEM檢查等方法暴露失效現象、分析出失效機理，最終提出改進意見，提高器件的良品率。根據失效分析實例剖析了LED典型失效機理：LED芯片缺陷和腐蝕；LED芯片粘結用導電膠腐蝕、使用不當 導致開路或短路；LED芯片金絲鍵合損傷；LED封裝結構設計不當，導致機械應力集中損傷芯片；LED器件使用

2、不當過流燒毀、ESD損傷、焊接不良或焊料遷移。并分別提出了相應的改進建議。關鍵詞：LED；失效分析；失效機理；導電膠；鍵合；腐蝕中圖分類號：TN31Z 8；TN306文獻標識碼：A文章編號：1(133353X(2011)03-0242一曬Failure Mechanism of LEDsTypicalXiaoZeya，LiShiman，PengShaopingResearch Institute ofMinistry ofIndustry and Information Technology，Guangzhou 510610，China)(The 5“Electronicsthe LED si

3、zefewthefor the cost andAbstract：Becauseis only amillimeters，andrequirementsLEDismore difficultThus the failure of LEDis themostcooling are higher，thepackagingpackageinspection are allcommonThe electricaland SEMvisual，sectionparameter testing，internalinspectionhelpful to findthe failureand conclude

4、the failure mechanismThen the solutionsphenomenonto improvefound outThethe defects and erosion ofthefailure mechanisms were analyzed，such asyield ratewereadhesives(ECA)；thetheLED chip；theerosion and misuse of electrically conductivedefectsof goldwire bonding；the defects of packagestructure；the misus

5、e of LEDcurrent，ESDdevice，including overinjury，poor soldering，emission of solderingfluxAnd the advice were broughtforward correspondinglyconductive adhesivesKey words：LED；failureanalysis；failure mechanism；electrically(ECA)；wire bonding；erosionEEACC：4260D：0170NLED產品可靠性，這也是業界的難題。但目前對于LED器件的可靠性問題研究很少，可

6、以查閱的資料也有限。由于LED芯片尺寸小，散熱和成本要求高，LED器件封裝難度很大，LED封裝失效也最多；其次LED器件使用不當問題也比較多。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。0引言在提倡環保和節能的世界大環境下，LED照明呈現出于一種蓬勃發展的勢頭。LED二極管發光原理是pn結加上正向電壓時，導帶電子和價帶空穴復合釋放出一定能量，從而發光。LED器件具有節能、環保、安全、可靠等優勢。LED器件在通信、儀器儀表、照明、顯示等領域獲得廣泛應用¨q。現在擺在業界面前的問題是：如何提高242半導體技術第3

7、6卷第3期2011年3月肖詩滿等：LED典型失效機理的黑色附著物為腐蝕生成物，含有異常元素Na和Cl。1芯片缺陷失效LED表現為正向壓降(Vf)增大。電測過程中發現，其正向壓降增大，并且隨著正向電壓的增加，樣品仍能發光。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。可能原因是在淀積金屬化之前，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圖2芯片表面腐蝕物Corrosive Oil t

8、he LEDFig2存在缺陷，而與封裝工藝無關。3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、稀釋荊、交聯劑、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”。41。導電膠對于儲存、使用都有嚴格的規定，如： 必須儲存在低溫環境中；必須在一定時間內使用 完，沒有使用完的不能繼續使用；超過保質期不能使用；嚴格控制固化溫度和固化時間；環境濕度要有嚴格控制，

9、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 穩定、串聯電阻增大、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。這種導電膠開裂的失效現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。測試發現LED正向導通壓降有增大的現象，固封研磨后電鏡觀

10、察發現導電膠和引腳連接界面存在明顯的分層，芯片與銀漿粘接面未見分離界面。圖l LED芯片和負極金屬域開裂的形貌Crack between the die of LED and cathodeFig12LED芯肯斌蝕當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，發光二極管處內鍵合點表面與鍵合區March 2011Semiconductor Technology VoL

11、 36 No3 243ED芯H堆砰物理H_很小，田此扯川銀漿l帖接和電連拄時若對銀漿控制不佳就會引人蜀一個夾技機腥鎳漿延仲至芯片發面產，E矩j!與捕電，在Ij板后測試發現I ED呈現批次性失散模式都址LED州個也飯之問有較大的潺電開封LED后發現導電腔點膠過多，在蒼片粘接時鍛漿延伸量芯片點面與芯"L尤飩化層的金布線肜成。晨I，。蝴“因-薈黛礓4鍵合不良導致LEO開路簟邕蕾翻嗣芯片的錸裝j基扳分離而且分離研的銀漿表面附著一層腐蝕性生成物，EDS分析發現脯蝕性元素fI，c】會腐蝕銀漿巾的韞顆村韉響銀漿的導電性能導鼓銀漿的牯接強度F酶掘終基扳芯片鍵I藝趄LED封裝時一個很釀嬰的步驟 鍵臺r

12、藝術良訊拜易導致芯片損傷鍵臺絲損傷、鍵臺絲與芯J；或引腳鍵臺強度年夠等故障造些故障與鍵臺機本身的狀態鍵臺機的參數設置、操作人城的熱練艘肆稈=；。I暫6是鍵臺不良導致LED開路共艘時例子。測試發現LED樣品開路x射線下發現樣品芯片 上兩個金絲鍵臺水一致制作金栩切片發現LED 的鍵臺絲與髓臺球分離，導敦器件開路從金避鍵臺的形狀和切H形貌分忻開路j封裝工藝有關而非在后續的使朋、樣接過程中分離嘲之問開踏。圖bIhe goldImntling6KDg镕臺fnSR"镕t)f”n vi"uil rdF*6闈7則鹽金士f=在內鍵舟點盒球附近存在斷裂 引趁洋品呈理蚪l!或太羋硅電阻的特性從翔

13、巾”f 以霸m盤*量繃，斷裂、正過洫過熱特碓談處進封材料也術皚竄利等抖常喪明金"空細址在EI)箍封舸就伴在搬0J即樣品鍵臺頸縮處異l¨'Ellsnm目m 42m】*fu“-Il晦矬ntcj常足由r鍵臺上藝控制不fl所效。4t CIinthe EcFig一牟一f b)±目“M"n1he斟7 LEDoH內*合mm*lc 7am fP、ulIHIInJut，dntIk·If·h”ImIntheIi"uIl5封裝結構設計不當LED芯H成竹冉InGaNMInGaP和ZnSe肆半導體材料這釁材料往往比Si，0片皿蹄巫脆若封裝蹬i

14、j幣1導致由郝鄺拄殘外心，這些臆力舯存在髓可栳導致器件苧J卅裂功能堪陀等可韉性M題：仆折的案例也是LED樣品上扳Jim現大批毓的失教時LED樣品進行失散分析發_吼；昕打發光I二般竹的芯片柞存在啊裂紋，井I L裂紋也囂蜘同：揶忡F芯片的ijl區域即錦近刖般【出片右邊緣虻蝌8。裂垃貫穿pn結，裂紋赴I、n耐雕嚴重下降咖n在潮溫的環境下pn結娃裂紋漏電增人，裂紋的產生與機械應力打父。結臺樣品的失嫂理場信息以艟器片的肇板結構芯片的也連接方式(曲點倒裝焊接mi m灑常的金縫焊接)分析LED芯片開裂的娘岡足：機械膻力在LED芯片的兩個電極之間彤戚州對的剪協力通垃凸點直接怍塒劍LEO芯HfJ蚌致菏R臆舯LE

15、D苧片受力撲裂饑械應力的產4-o熟業噍力仃篾對于j羔種尖技機理建議對器件的封裴進r艘進僻蛐n宅加填競科為片挺供機械盤撐 引出片芯片之刪的熱膨脹系數 應力；改進制I小H的肜狀“減小械心JJ暇0H越攙n"H9絮盛裟LEO靜電擊穿6 2若LED器件沒有世汁靜fU保護單幾時根釋易就受到靜電損傷。6 3 LED焊接失效LED焊接到PCB板或秉性電路扳(FPc)時， 通常也足采Jff導電腔進行b璉接和饑餓固定。由于LED的帆械R寸小，必須嚴格枕：點胺位置和點膠蚰，若導電膠延伸到LED兩電檻之mI，形成附加導電通道(邕10(u)這種短路原困q能是： 導電銀漿潦覆過多；銀漿的轱度太小，導致銀漿流動性

16、大。當與基板焊接的銀漿定位小準、銀漿點膠量不夠時，也會導致LED器I申開路(剛10f b1、一(b)m JL目II焊鎘棒#癜路r“ultediaIh Hhucl zcult11Mjgralian of solderingtinFig7結語“J從芯片設計、【，FO封鞋(導電脞鍵合、結構)，LED使(過流、ESD、焊接)等方面對 IED常見的一】靠性¨題進行總結井H提出了針對性的改進措施。希鬯能為業界解挾LED方面故障提供參考，從而掛供LED器什的良品率和ir靠性。致謝本文巾所有塞例和罔片都束自T業和信息化部電子第無研究所無器件研究分析中心，特此致謝。r b镕"目目10*LED|悻白勺镕肇異常參考文獻：【II*r寧蔣偉，等【ED目#mq月J"jgq，200630(4)32一，5【21*#女，目r-t暢±a H目月大功l ED的#裝1【J1 2009I【(9)：8587f*10b“ECAkIn theLEDandfltxibtem日rd4柔性電路扳焊料遷移測試發現蠡性扳上LED不亮。由X-RAY和金相切片分析發現：失效LED的兩個電檻與基幢之間存在樹枝狀異物，研麝到相應位置時也拉現郝分失效樣品的電撤+底酃聃板短接，問時EDS分析出村枝狀異物的毛要成分為