大功率LED失效機制分析

趙敏

惠州雷曼光電科技有限公司

1 前言

早在一百多年前的 1907 年，英國科學家就發現了碳化硅晶體在電流作用下會發光，二十年后俄羅斯科學家也驗證這一點。1935年法國科學家則發現了硫化鋅粉末在電流作用下發光的特質，提出了今天所熟知的“電致發光”。此階段是半導體科學研究的起始，隨著50年代半導體物理學發展起來，半導體工業產業規模化發展下，發光二極管的研究飛速發展。1965 年紅外發光 LED 已經量化生產并投入使用，70年代時期，綠光、黃光LED也被相繼研發出來，以半導體材料為基礎的二極管性發光器件實現了快速發展，但是發光效率依然較低，無法應用于照明領域。隨著氮化鎵(GaN)基材料制備技術發展，LED的功率也在不斷的提升，光電轉化效率的不斷提高，商用白光led也能夠達到160lm／W，為白光LED取代傳統光源提供了可能，其應用的范圍越來越廣泛。發光二極管本質上是個 PN 結，P 區中有過量的空穴，N 區有過量的電子，在經過復雜的空穴和電子擴散、勢壘的作用形成的平衡態下，當給發光二極管加正向電壓時，產生自發輻射 200～1550 nm 波長范圍的。

LED的失效可以定義為執行規定功能能力的終止，LED的失效經過顯著的失效發展階段，會形成嚴重失效和參數失效，前者是光電參數的改變引起的LED死燈，后者則是電參數由初始改變一直超出一定界限。隨著大功率LED的越來越普及，LED的失效問題也越來越頻繁。本文以大功率 LED 器件的可靠性出發，結合失效理論和原因分析，探討大功率LED的失效機制問題，為LED的實際應用中提升其可靠性提供實踐上的依據。

2 大功率LED失效過程和原理分析

2.1 失效的發展

LED失效分為三個階段，第一階段是早期失效，屬于原材料和工藝加工的缺陷造成的失效，在初期失效率高，但是隨著工作的推進，失效率逐步降低。失效率代表在單位時間內的失效概率。第二階段是隨機失效階段，也是偶然失效，當進入了相對穩定的工作階段，是產品的最佳使用階段，這一階段的失效是由于環境和使用不當造成的突變性失效。第三階段是耗損失效期，經過長時間的運作，LED產品的疲勞和老化下，光電參數衰退，失效率開始大幅增加，產品也走向壽命末期。

2.2 失效形式

第一，片材料缺陷引起的光通量輸出衰減，究LED老化的過程中距離導帶1．1eV的深能級缺陷密度快速增加，使異質結分割面晶格失配產生的密度增加，構成了新的能級從而使得發光效率降低。

第二，遷移和退化。LED經過老化后，隧道電流、擴散電流、反向漏電路均有所增長，金屬雜質順著缺陷向結區遷移，降低了LED的發光效率。

第三，熒光粉和環氧樹脂的降解失效。LED工作的高溫會使得LED發出的光產生紅移，光熱作用降低發光效率。

第四，大功率LED的電阻一般都比較低，瞬間的靜電容易擊穿或者局部破壞LED的結構，引起災難性的失效。

2.3 失效模式

LED的失效模式有5類：芯片失效芯片材料缺陷、芯片電極接觸不良、芯片污染。封裝失效是封裝材料退化或結構變化、熒光粉失效；電過應力失效如過電流沖擊、過電壓沖擊、靜電損傷；裝配失效如焊接不良、裝配不當。

從以上的失效模式來看，靜電、電流、溫度是造成失效的最主要原因。工作電流過大會引起芯片溫度偏高，引起Ga-N鍵斷裂，使芯片緩慢老化。過大電流還會引起電遷移，導致芯片失效。靜電在生活中無處不在，靜電釋放會引起高壓并擊穿電介質，或是形成電流通路，給芯片帶來損害。溫度太高則會造成內量子效率降低，達到一定的臨界值還會引起芯片的破裂。

3 LED失效分析

先無損后有損，先外觀檢查是LED失效分析的原則，在實踐中分析方法有為外觀檢測，電性能測試，X射線透視檢測，開封，金相切片分析，掃描電鏡，能譜分析和其他的分析手段。

外觀檢測是直觀的通過顯微鏡檢測的方式觀察產品外觀特性，排除其他的異常原因。過電參數的測試可以發現LED的異常之處，從而反推失效部位和原因。X-ray射線透視的原理是利用不同位置材料的吸收率和折射率差異測樣品內部缺陷，探查線鍵和外部的焊接情況。開封檢測是一種破壞性的檢測方式，只是一種去除手段，如需進一步檢測需要配合光學顯微鏡、電學顯微鏡和光譜儀進行。可靠性試驗是指在熱、濕、電、機械應力等不同條件下測試LED完成規定功能的能力，快速評測產品的可靠性指標。

結語

綜上，大功率LED應用領域越來越復雜，環境條件越來越苛刻，對LED的可靠性要求越來越高，未來失效的概率還將大幅提升，需要做好檢測工作，定位失效部位，排查原因所在。