1、發光二極管失效分析1引言和半導體器件一樣，發光二極管（LED）早期失效原因分析是可靠性工作的重要部分，是提高LED可靠性的積極主 動的方法LED失效分析步驟必須遵循先進行非破壞性、可逆、可重復的試驗，再做半破壞性、不可重復的試驗，最 后進行破壞性試驗的原則。采用合適的分析方法，最大限度地防止把被分析器件（DUA）的真正失效因素、跡象丟失 或引入新的失效因素，以期得到客觀的分析結論。針對LED所具有的光電性能、樹脂實心及透明封裝等特點，在LE D早期失效分析過程中，已總結出一套行之有效的失效分析新方法。2 LED失效分析方法2.1減薄樹脂光學透視法在LED失效非破壞性分析技術中，目視檢驗是使用最

2、方便、所需資源最少的方法，具有適當檢驗技能的人員無論在任 何地方均能實施，所以它是最廣泛地用于進行非破壞檢驗失效LED的方法。除外觀缺陷外，還可以透過封裝樹脂觀察 內部情況，對于高聚光效果的封裝，由于器件本身光學聚光效果的影響，往往看不清楚，因此在保持電性能未受破壞的 條件下，可去除聚光部分，并減薄封裝樹脂，再進行拋光，這樣在顯微鏡下就很容易觀察LED芯片和封裝工藝的質量。 諸如樹脂中是否存在氣泡或雜質；固晶和鍵合位置是否準確無誤；支架、芯片、樹脂是否發生色變以及芯片破裂等失效 現象，都可以清楚地觀察到了。2.2半腐蝕解剖法對于LED單燈，其兩根引腳是靠樹脂固定的，解剖時，如果將器件整體浸入酸

3、液中，強酸腐蝕祛除樹脂后，芯片和支 架引腳等就完全裸露出來，引腳失去樹脂的固定，芯片與引腳的連接受到破壞，這樣的解剖方法，只能分析DUA的芯 片問題，而難于分析DUA引線連接方面的缺陷。因此我們采用半腐蝕解剖法，只將LED DUA單燈頂部浸入酸液 中，并精確控制腐蝕深度，去除LED DUA單燈頂部的樹脂，保留底部樹脂，使芯片和支架引腳等完全裸露出來， 完好保持引線連接情況，以便對DUA全面分析。圖1所示為半腐蝕解剖前后的q 5LED，可方便進行通電測試、觀 察和分析等試驗。在LED-DUA缺陷分析過程中，經常遇到器件初測參數異常，而解剖后取得的芯片進行探針點測，芯片參數又恢復正 常，這時很難判

4、斷異常現象是由于封裝鍵合不良導致，還是封裝樹脂應力過大所造成。采用半腐蝕解剖，保留底部樹脂， 祛除了封裝樹脂應力的影響，又保持DUA內部引線連接，這樣就很容易確認造成失效的因素。2.3金相學分析法金相學分析法是源于冶金工業的分析和生產控制手段，其實質是制備供分析樣品觀察用的典型截面，它可以獲得用其他 分析方法所不能得到的有關結構和界面特征方面的現象1 LED的截面分析，是對LED-DUA失效分析的“最 后手段”，此后一般無法再進行其他評估分析。它也是一種LED解剖分析法，為了分析微小樣品，在一般試驗中，需要對分析樣品進行樹脂灌封，最后在細毛織物上用0.05p m的氧化 鋁膏劑拋光。圖2為q 5

5、白光LED側向典型截面，可清楚地看到其結構情況。2范白光LED側向典-型fSiflj需要注意的是GaN基LED中的藍寶石襯底異常堅硬，由于目前尚未有較好的研磨方法，因此對這類的DUA還難以 對芯片進行截面分析。2.4析因試驗分析法析因試驗是根據已知的結果，去尋找產生結果的原因而進行的分析試驗2。通過試驗，分清是主要影響還是次要影 響的因素，可以明確進一步分析試驗的方向。析因試驗分析是一種半破壞性試驗LEDDUA解剖分析對操作過程要 求較高，稍不留神即可能造成被分析器件的滅失。分析過程中，經常先采用析因試驗分析法，分析工程師根據復測結果 和外觀檢查情況，綜合相應理論知識和以往積累的分析經驗，估計

6、器件失效原因，并提出針對性試驗和方法進行驗證。 一般可采用相應的物理措施和試驗冷熱沖擊試驗、重力沖擊試驗、高溫或低溫試驗和振動試驗等。例如庫存9 5透明紅光LED單燈，出貨檢驗時出現個別LED間歇開路失效現象，而兩次檢測只經過搬動運輸，故先對DUA采用 重力沖擊試驗，出現試驗后開路失效，減薄樹脂后看到芯片與銀漿錯位，是造成間歇開路失效的原因。2.5變電流觀察法作為光電器件的LED，與一般半導體器件相比，其失效分析除檢測DUA的電參數外，還必須關注光參數方面的變化。 除了通過專業測試儀檢測外，還可直接通過眼睛或借助顯微鏡觀察DUA的出光變化情況，經常可以得到預想不到的收 獲。如果DUA按額定電流

7、通電，觀察時可能因出光太強而無法看清，而通過改變電流大小，可清晰地觀察到其出光情 況。例如GaN基藍光LED正向電壓Vf大幅升高的現象，在小電流下，有些可以觀察到因電流擴展不良而造成芯片 只有局部發光的現象，顯然為電極與外延層間接觸不牢靠，在封裝應力的作用下，接觸電阻變大所造成的失效。圖3為 經減薄處理后9 5LED所觀察到的芯片小電流擴展不良現象。瀏3 LXO芯片電流擴履不皮現象2 . 6試驗反證法LED失效分析過程中，經常受到分析儀器設備和手段的限制，不能直觀地證明失效原因， 高素質的分析工程師，經常通過某些分析試驗，采取排除的辦法，推論反證失效原因。例 如DUA為8X8紅光LED點陣，半

8、成品初測合格，灌膠后出現單點LED反向漏電流 特大，受儀器設備限制，只有直流電源和LED光電參數測試儀，不能做解剖或透視分析， 測試中發現DUA正向光電參數無異常，而反向漏電流大，故采用反向偏置并加大電流全 數十毫安后，再測正向光電參數，前后結果無明顯變化，說明反向偏置中的數十毫安并非 從該LED芯片通過，由此推定并非LED芯片造成漏電。3案例分析3.1結溫過高造成1W白光LED嚴重光衰失效現象：特殊照明用1W白光LED連續通電兩周后嚴重光衰。解析過程：進行光電參數測試，除光通量嚴重下降外，其他電參數未見異常，同時發現使用環境散熱差，使用中器件外 殼溫度很高。初步認為芯片結溫過高造成嚴重光衰。

9、根據阿侖尼斯模型給出計算不同結溫的期望工作壽命和激活能的公 式P = POexp(p t)P =P OIfexp( Ea/kTj)式中：PO為初始光通量；P為加溫加電后的光通量；p為某一溫度下的衰減系數；t為某一溫度下的加電工作時間; p O為常數；Ea為激活能；k為波耳茲曼常數(8 6 2 X 1 O 5eV)；If為工作電流；Tj為結溫；而 Tj=Tc+VfIfRjc式中：Tc為DUA的外殼溫度；Vf為正向電壓；Rjc為芯片結到殼的熱阻】3。可見LED光通量的衰減快慢為系數P所決定，衰減系數P的大小又取決于結溫Tj的高低，而降低結溫Tj是通過降 低外殼溫度Tc和結到殼的熱阻Rjc來實現的。

10、據此，我們采用析因試驗分析法，對DUA采取臨時應急降溫措施， 光衰得到明顯改善，即確定溫度過高是造成光衰的主要因素。為了徹底解決問題，我們檢查和改善器件熱通道上的各環 節，通過X光透視檢查芯片的倒裝質量未見異常(圖4)，排除芯片缺陷造成熱阻Rjc過大的可能；改用共晶焊鍵 合降低熱阻Rjc，加大散熱器尺寸降低外殼溫度Tc，并在應用中增加通風設計，達到降低芯片結溫丁的目的， 最終使光衰問題得到解決。3.2 ESD損傷致LED反向漏電流大失效現象：(P 5透明藍光GaN-LED單燈反向漏電流大。解析過程：進行光電參數測試，該LED器件反向漏電流大，在5V的反向電壓下，漏電流為5O2OOp A，先用

11、減薄樹脂光學透視法，在立體顯微鏡下觀察封裝情況，打線鍵合及固晶等均未發現異常；由于藍光GaNLED為靜電 敏感器件，初步判定反向漏電流大是靜電放電(ESD )損傷所致；再用半腐蝕解剖法解剖DUA，在高倍顯微鏡下，可清楚看到芯片靜電放電損傷的擊穿點，詳見圖5,初期判斷得到印證。3.3內氣泡致LED單燈開路失效現象：9 5透明藍光GaN-LED單燈使用中先閃爍后熄滅。解析過程：通電進行參數測試，DUA呈開路狀態，采用減薄樹脂光學透視法分析，在立體顯微鏡下觀察封裝情況，發 現支架杯中芯片n電極邊上有一氣泡，其他部分未發現異常（圖6）,由于芯片出現開路的可能性極低，所以判斷應為 引線開路。解剖器件，發

12、現n極金線焊球脫離芯片電極造成開路，因而使器件熄滅，判斷得到印證。圖6器件內部氣泡造成開胳3.4二焊開路造成LED死燈失效現象：e 5透明藍光GaN LED單燈使用中熄滅。解析過程：通電進行參數測試，DUA呈開路狀態，先用減薄樹脂光學透視法，在立體顯微鏡下觀察封裝情況，除p電 極金絲二焊點外，其他部分未發現異常；P電極二焊點金絲線體和焊接面厚度變化較為劇烈，過度不夠平滑。采用減薄 樹脂光學透視法，仍然無法看清開路點。再用半腐蝕解剖法，解剖后可明顯看到P電極金絲二焊點斷開（圖7），造成 器件熄滅，判斷得到印證。陋7二焊點斷裂開路4注意事項4.1靜電防護GaN基LED是靜電敏感器件，容易因靜電放電

13、損傷，引起短路或漏電流大，反向呈軟擊穿特損傷，引起短路或漏電 流大，反向呈軟擊穿特性。失效模式分為兩種：一為突發性失效，表現為pn結短路，LED不再發光；一為潛在性緩 慢失效，例如帶電體靜電勢或存貯的能量較低，一次ESD不足以引起發生突然失效，表現為漏電流加大、反向呈軟擊 穿特性，甚至亮度大幅度下降、光色（主波長）出現變化等。它會在芯片內部造成一些損傷，這種損傷是積累性的，隨 著ESD次數的增多，LED的光電參數逐漸劣化，最后完全失效4。因此，在整個分析過程中，必須始終做好靜 電防護工作，防止靜電損傷DUA，否則可能導致完全錯誤的失效分析結論。4.2焊接散熱保護因分析或測試等需要對DUA進行烙鐵加熱焊接的，焊接前須評估烙鐵加熱過程對DUA造成的損壞和改變的可能性。 如果需要焊接的，應對引腳