人體汗液作用下LED芯片的失效機理

金豫浙,傅春花,夏煒煒

(1.揚州大學廣陵學院,揚州 225128;2.揚州中科半導體照明有限公司,揚州 225009)

隨著信息技術的發展,半導體光電子器件已經滲透到照明、顯示、生物醫學及人體可穿戴領域[1-3]。為實現萬物互聯,半導體器件在人類活動中已不可或缺,同時人們對半導體器件的要求也不斷提高,質量、成品率、性能無一不是行業追求的目標[4]。但半導體器件在生產制備、轉移、清洗過程中都存在來自于人員、機器、物料、環境等的污染,這些污染會直接影響成品的質量、良率、性能等,給工廠、用戶造成困擾和經濟損失。例如,在LED芯片使用過程中,固晶烘烤后經常發生電極黏污,且污染物來源十分復雜,如固晶膠殘留,人員操作污染,含羥基,烴基交聯劑殘留物與電極污染物發生化學吸附、靜電吸附,人體汗液污染,灰塵顆粒污染等等。芯片電極作為連接電源電壓驅動的最主要的功能部件,其失效會直接影響器件的性能和使用功能。

隨著電子元器件微型化和集成化發展,光電二極管作為主要電子元件,近年來相關光電顯示及傳感器作為拓展個性化人體近景娛樂、運動及健康管理的可穿戴關鍵元件,其應用形式已被人們廣泛關注[5],但關于人體相關應用的失效模式研究報道較少。人體汗液構成了最主要的體表環境,因此分析汗液對器件的影響具有重要意義。

本工作分析了LED芯片表面鹵素污染的失效原因,結合掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能譜(EDS)對失效芯片表面的不同位置進行初步分析和探索,并對優化電極結構和工藝的芯片進行了人體汗液的模擬污染試驗,分析了試驗后芯片的外觀、電極推力大小和電學特性的變化,確認了汗液中鹵素氯離子的遷移導致鋁層的電化學腐蝕,最終引起電極脫落和芯片的失效。

1 試驗

本工作包括失效分析和模擬試驗兩部分,所用LED芯片為目前最常見的白光用藍光正裝結構芯片,尺寸250 μm×750 μm,電極直徑65 μm。如圖1所示,產業界一般將接觸層金屬厚度減薄至200 nm以下,鋁層的厚度為20 000～40 000 nm以兼顧芯片的電壓和電極的反射率。本工作針對封裝端反饋有異常的樣品(即燈珠半成品),采用Hitachi S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)進行微觀形貌觀察,采用X射線能譜分析(EDS)進行成分分析。

(a) 芯片剖面結構示意圖

(b) P/N-Pad結構示意

模擬試驗通過模擬人體汗液對芯片的污染,再現電極脫落現象。芯片選用兩組(A組和B組)含鋁反射電極[6]LED芯片:A組電極的結構及工藝與封裝端反饋的異常試樣一致,B組電極的結構和工藝進行了優化,其接觸層Cr(鉻)厚度是A組的1倍,為300 nm,其他各層金屬厚度不變；此外,電子束蒸發時Cr(鉻)和Al(鋁)的蒸發速率為A組的1/2,分別為5 nm/s和20 nm/s。模擬試驗主要用到燒杯,量筒,玻璃棒,烘箱,金絲球焊線機,Dage 4000推拉力測試儀,金相顯微鏡。因汗液主要成分為水,還有鈉、鉀、氯、鎂、鈣、磷等元素,根據ISO 3160-2—2003標準,模擬人體汗液配方為:氯化鈉(NaCl)20 g/L、氯化銨(NH4Cl)17.5 g/L、尿素(CO(NH2)2)5 g/L、醋酸(CH3COOH)2.5 g/L、乳酸(C3H6O3)15 g/L。根據需求最終調節試驗溶液(模擬人體汗液)pH為4.92[7]。

用玻璃棒攪拌試驗溶液,并滴定到已固晶打線的兩種電極結構的芯片表面,放入烘箱100 ℃烘干5 min,最后放入恒溫30 ℃烘箱分別保溫2,4,8 h。取出對比芯片性能,測試電極推力并觀察外觀,統計芯片P電極/N電極的失效率。

2 結果與討論

2.1 異常樣品的失效分析

圖2是封裝端污染的異常芯片樣品的SEM形貌。因異常樣品為半成品未封膠燈珠,未使用化學法進行Decap(開蓋)處理,避免了化學試劑對芯片的二次污染,故分別對圖2中電極底部區域(BOT部分)和電極外部區域(O/S部分)進行EDS分析。

圖2 污染芯片的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of contaminated chip

由圖2可見:芯片表面呈現局部塊狀污染,已焊線Pad出現脫落。由表1可見:脫落電極底部含氯,且在電極以外區域中Na、K、Cl等元素。污染物含Na、K、Cl且Cl含量較高,一般情況含Na、Cl元素的污染主要來自于人體汗液。且電極底部區域只檢測到Cl元素,這可能是氯離子在電極中鋁的引導下進行離子遷移的結果。雖然鋁層極易在液體或空氣中與氧氣成鈍化層Al2O3保護膜,但在鹵素陰離子存在的環境中,陰離子會在鈍化層邊緣或內部材料缺陷處發生點蝕[8-9]。在水和氯化物環境中,鋁電極層的腐蝕過程將出現Al(OH)Cl+和Al(OH)2Cl的堿式氯化物鹽[10],反應過程如下:

H2O→OH-+H+

(1)

Al→Al3++3e

(2)

Al表面快速電離生成Al3+,式(1)和(2)的總反應為:

Al+H2O→Al(OH)2++H++3e-

(3)

鋁電極層在氯離子的作用下不斷發生電化學侵蝕,形成無數個腐蝕微電池,生成Al(OH)Cl+和Al(OH)2Cl,見式(4)和(5)。

Al(OH)2++Cl-→Al(OH)Cl+

(4)

Al(OH)Cl++H2O→Al(OH)2Cl+H+

(5)

表1 電極不同區域的EDS分析結果Tab.1 EDS aralysis results of the electrode at different regions

2.2 模擬驗證試驗

根據封裝端失效現象,為加強電極的耐蝕性,將芯片電極結構與工藝進行優化,并作為模擬試驗的對比組B。對比原工藝組A和優化后組B在人體汗液環境中不同時間后的失效情況,測量了芯片電極的推力值、工作電壓等參數。如表2所示,隨著試驗時間的延長,兩組試樣發生P/N電極失效的概率基本相當,且總體來說,P極失效概率略高與N級,推測為P/N電極邊緣的接觸介質不同導致的。如同1(a)所示,P電極周圍需要接觸金屬氧化物ITO薄膜,ITO易與酸性物質發生反應形成腐蝕孔洞,同時表面PSV鈍化層材料為PECVD(等離子體增強化學的氣相沉積法)沉積的二氧化硅薄膜,氧化硅的多孔性易于吸附水汽導致污染離子滯留[11]。

由圖3可見:兩組試樣試驗不同時間后,都表現出芯片工作電壓升高和完全失效的現象,B組試樣具有更低的失效率,試驗8 h后的失效率為25%,低于A組試樣(45%)。從圖4中發現P電極底部會出現腐蝕小坑洞,腐蝕坑洞會減少電極底部與外延層表面接觸,導致電極黏附力降低。推測金屬擴展電極底部也存在同樣現象,導致擴展電極與ITO層接觸異常,引起芯片工作電壓的升高。一般情況下,芯片電壓的升高是因為大電流下金屬鋁電遷移引起金屬疲勞。對比兩組試樣的失效現象,發現在酸性及鹵素離子作用下,芯片電極中金屬鋁產生電化學腐蝕,引起工作電壓升高。由圖5可見:隨著試驗時間的延長,兩組試樣的推力值都明顯降低,初始2 h,B組試樣的推力均值略高于A組試樣,隨著試驗時間的延長,A組試樣提前出現推力值小于10 g(推力值大于25 g為合格)的情況,B組試樣的推力值也有所降低,且8 h之后兩組試樣的失效率都明顯增加。雖然B組試樣因具有更厚的接觸層及更低的材料生長速率,其電極的黏附力得到改善,試驗2 h的推力值有所增大,但經過8 h試驗后,B組試樣的芯片仍會出現極低的電極推力,且整體電極推力值都降低。

表2 A/B組試樣經過不同時間試驗后的P/N失效統計結果Tab.2 Statistical results of P/N failures of group A/B samples after different time tests

(a) A組試樣

(b) B組試樣

(a) 芯片外觀

(b) P-Pad背面OM

(a) A組試樣

(b) B組試樣

3 結論

通過對含鋁反射電極的芯片污染失效現象進行分析,結合SEM/EDS的成分分析結果,推測這是由于人體汗液污染,且鹵素氯離子的離子遷移會導致電極底部黏附力降低,進而發生電極脫落。利用人工配制的人體汗液,對優化電極結構后的芯片進行模擬汗液污染的對比試驗,分析了不同芯片電極結構在污染不同時間后的失效率及現象。結果表明:經過電極工藝和結構優化后,芯片的可靠性有所提升,但長時間作用下仍會出現較高的失效率,含鋁反射電極的芯片屬于電化學敏感元件,類似人體汗液的滲透或者吸附會引起器件的致命性失效。

基于以上結果,為保證生產過程中的質量,以及用戶端的使用穩定性,整個芯片及封裝的生產制造過程須要確保工作人員正確佩戴防護手套,嚴格管控,避免人體的直接接觸。同時在封裝時,須保證封裝膠體絕對的氣密性,并開發高反射、耐腐蝕的電極結構體系,以滿足相關領域高可靠性的應用條件。

本工作未討論人體汗液中醋酸、乳酸、尿素、氯化鈉等在其他成分對電極的侵蝕作用,后續可以進行深入的研究探索,以便開發更適合人體穿戴的光電子功能器件。