LED失效分析解析

LED的发光源是由所谓的III-V化合物所构成,即大家熟知的磊晶晶粒(chip),该固态化合物本身性质很安定,在产品所规范的条件下使用并不易损坏,而处于一般的应用环境中也不起化学反应,因此拥有较长的产品寿命。然而,为使该LED chip发光,必须由外界通入电流,因此一般会把尺寸很小的chip黏贴在特定的载台(或称导线架)上并以金属线或銲锡等材料连接chip的正负两极,然后用高分子材料包复整个载台,这就是所谓的封装制程,经过这段制程后成为市面上常见一颗颗的LED灯粒。在实际应用时,还会视所需把数颗LED灯粒组装成模组,最后再与其它功能的模组组合成为终端产品。

从上可知,一个LED产品的失效,起因可能来自于该产品的任何一个部份,故必须抽丝剥茧方能找到真正的失效原因。针对失效来自LED灯粒而言,因完整的LED灯粒中,LED chip本身很强壮,但包复chip的封装材料则易遭受损伤,因此,LED灯粒的失效多可归因于封装材料的破坏或劣化所导致。若要充分解析这类失效,牵涉到光学、化学、材料学、电子物理学等领域的专业知识,并搭配精密的仪器与丰富的实务经验,才能确认失效点并推导真因,进而提出改善对策。本公司宜特科技在替LED产品进行相关失效测试时,发现许多总类的LED失效现象,也研发出相对应的解析手法,借此文将过去三年多服务LED客户之经验做一分享:

1. 不亮:这种失效是指LED通电后完全不发光。一般而言,导电路径上的 ”断路(open)"是本类失效的主因之一,确认断路的方法也十分简易,以常见的三用电表就可验证。不过,要找到断路点就必须做进一步的解析,例如:可用X-ray来确认打线是否断线或脱离、用SEM(扫瞄式电子显微镜)观察剖面结构可检查黏晶部份的缺陷等等。本类失效的第二个主因是 ”短路(short)” ,这是因为电流未确实通过LED chip,而是流经”旁门左道”,故LED灯粒自然不会发光,如:因发生电子迁移导致电极金属原子的不正常扩散,譬如氧化铟锡(ITO)、银或是GaN/InGaN二极管中的阻挡层金属等都可能因机械应力、高电流密度或在腐蚀性的环境发生此类异状。其它的原因可能是打线偏移、黏晶胶爬胶等等。这种失效必须利用I-V curve(电流-电压图)才能判定,至于失效点因为从外观无法检查到上述缺陷,故需先以X-ray来确认;或是化学溶液去除LED封装材料后,再使用光学(OM)或电子显微镜(SEM)仔细检查。
         
                    短路爬胶                                               开路断线

2. 变色:这类失效是指LED不点亮的状况下,外观颜色或胶材透明度与新品不同,用肉眼即可看出,通常在产品使用一段时间或在做完可靠度试验后发生。一般说来,变色区域大致可区分为发生在导线架或封装胶材两类,若发生在导线架,通常是因为表面与环境中的化学物质发生反应,如氧化或硫化,要分辨属于哪种需仰赖成份分析,可使用的仪器包含有EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscope)、XPS(X-ray Photoelectron Spectrometer)、AES(Augur Electron Spectroscope)等等。若是封装用的胶材发生变色,则属于高分子材料的劣化现象,如环氧树脂易受高温或是紫外光影响而变黄,因此白光LED多改采矽胶取代之。分析此类失效应特别留意,因胶材本身有一定的透明度,有时变色的导线架因被胶材盖住而误判为胶材变色,引导至错误的改善方向。
                                                            
                                            支架变色

3. 光衰:这种失效系指LED发出的光强度低于新品。如前面章节所述,光衰程度已成为评判LED照明产品寿命的重要指标,所以这类失效的分析就相当重要。整体来说,本类失效的分析非常复杂,因为影响光强度的因素非常多,如chip劣化、反射杯的劣化、胶材与chip间脱层、胶材透明度下降、打线接合面电阻上升、热阻太高等等,若发生在白光LED,则还需考虑萤光粉劣化的问题,因白光LED通常使用一或多种的萤光粉,它们会受到热或湿气的影响而衰减并降低效率,导致产出的光色改变。分析的手法包括有:非破坏检测,如外观检查、LED电性曲线、积分球的光学特性等等,用上述数据综合判断,逐一排除,当推断可能原因后,接着进行破坏性分析,利用样品制备技术制作出适合的分析样品,再辅以各种仪器如SAT(Scanning Acoustic Tomography)超音波扫瞄、FTIR(Fourier Transform InfraRed)傅立叶转换红外光谱仪、TEM(Transmission Electron Microscope)穿透式电子显微镜、SEM(Scanning Electron Microscope)等等加以验证,方能到真因。
                                
                                         白光LED光衰分析 – 黄光强度衰减

4. ESD失效:这是一种静电放电所引起的chip破坏,在MOS IC的产品中非常重视此现象,对LED而言,过往因砷化镓(GaAs)芯片本身可导电,故这类问题并不常见,但因白光LED使用不导电的蓝宝石基板,而且基板与GaN等材料间因晶格不匹配会形成内部缺陷(如差排),对ESD的损害更为敏感。静电的放电可能产生半导体接合点(junction)立即的失效或特性的永久漂移及潜在的损坏都会导致衰减的速率增加。有几种现象可用来帮助判断chip是否遭受静电破坏,譬如反向偏压漏电流大增、chip仅局部发光、chip表面出现局部熔融点等等。有时,一开始的静电破坏的程度不高,LED的电特性、发光特性、chip表面完整性皆无异状,但这种破坏会因累积而逐渐明显,有时却也可能安然度过整个产品生命周期,一旦生产线未做好静电防护措施时,所生产的产品的客退率将会忽高忽低,面对这种现象,失效分析也未必可寻得真因,因此做好生产线静电防护措施才是最佳解决之道。
     
                    ESD失效LED GaN材料I-V curve图

   

                      静电放电破坏

5. 其他:突然间的失效常常是因为热应力所致,当环氧树脂的封装达到玻璃转移温度(Tg)时,树脂会很快速的膨胀,在半导体和焊点接触的位置产生机械应力来弱化或扯断它,而在非常低的温度时则会让封装产生裂痕。   此外,高功率LED对电流的拥挤敏感,不均匀的电流密度分布在接合点(junction)上,可能会产生局部的热点,存在热烧毁的风险,若再出现基板的热传不均匀,将使问题变得更严重,这常见于銲接材料的孔洞或是电子迁移效应和Kirkendall空洞,故热烧毁亦是LED常见的失效模式。

结语:LED灯粒及chip的结构与常见IC来比相对简单,但在应用时却同时涉及光、电、热等现象,所以发生失效的原因较为复杂,在失效分析时所执行的步骤反而较为多元,同时LED chip与封装结构因专利之故,各家产品并不相同,分析时所需之样品制备的复杂度也远大于常规IC,因此优良的样品制作技术、完整的分析仪器加上丰富的经验综合判断,才能获得正确的失效分析结果。       
     
                  LED失效原因鱼骨图
      
                     LED失效分析流程
 

本文作者:

宜特科技整合服务工程处  邵桶俊经理

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