GaN 基白光LED 正向電壓增大失效機理分析

曾友華

（廈門華聯電子股份有限公司，福建 廈門 361008）

0 引言

發光二極器（LED：light-emitting diode）顯示器是一種數字顯示和（或）功能顯示的器件，廣泛地應用在空調、洗衣機、冰箱和電磁爐等家用電器和儀器儀表上顯示運行狀態。隨著白光LED 技術的發展與成熟，白光LED 顯示器受到市場的青睞，市場占比越來越高。白光LED 顯示器有多種封裝方案。利用0603 和3014 等封裝規格的白光LED作為燈源的空封方案是最普遍的。作為產品基本構成單元的白光LED，其質量的好壞直接影響著白光LED 顯示器的可靠性，在實際應用中，特別是在高溫高濕工作環境下，常常發生因白光LED 在短時間內就失效導致成品出現功能異常甚至完全失效的情況。使得LED 顯示器生產廠家及用戶遭受了嚴重的經濟損失和品牌形象受損。

從LED 顯示器的可靠性角度考慮，為了防范因白光LED 質量原因而造成LED 顯示器失效，在選型時，對白光LED 開展可靠性試驗評估至關重要。在開展LED 顯示器用白光LED 選型工作時，我們發現高溫高濕通電試驗后，產品出現正向電壓增大現象。本文對此現象進行了研究，分析了導致白光LED 發生正向電壓增大的機理，并提出控制方案以減少此類現象的發生。

1 實驗

實驗燈源為某公司生產的0603 封裝的白光表面貼裝器件（SMD：Swrface Mounted Devices）LED，內部的芯片為三安生產的S-12EBAUD-D，芯片材料為InGaN/Al2O3（藍寶石）。為了便于試驗，用此燈源制作成空封結構的LED 顯示器，在合格品中抽取6 只作為實驗樣本，在實驗前，采用測試儀測試每個實驗樣品在20 mA/LED 下的正向電壓、初始發光強度和反向電壓5 V 下的漏電流，并按編號做好記錄，然后，在溫度（85±5）℃和濕度（85±3）%環境下，對產品的每個LED 通電10 mA，試驗240 h。

試驗完成后，樣品在標準大氣壓下恢復到常溫。采用測試儀測試實驗樣品在20 mA/LED 下的正向電壓、發光強度和反向電壓5 V 下的漏電流。與試驗前對比，顯示器的窗口的發光強度衰減在10.3%～16.7%之間，符合≤30%的標準要求，漏電流無明顯變化，均小于1 μA，符合標準要求，但部分LED 的正向電壓明顯增大異常，測試數據如表1 所示。

表1 實驗數據

在光學顯微鏡下觀察電壓異常樣品，發現熒光粉及封裝膠均未碳化，與正常樣品無明顯區別。為了作進一步的分析，對SMD LED 樣品進行解剖，去除密封膠和熒光粉，采用高倍光學顯微鏡對芯片表面進行觀察，采用掃描電鏡（SEM）對芯片進行微觀形貌觀察，能譜分析儀進行樣品微區成分分析。

2 結果與討論

2.1 芯片表面觀察

對SMD LED 異常樣品進行解剖，去除封裝膠和熒光粉后，在高倍光學顯微鏡下觀察芯片表面。雖然在解剖過程中小心謹慎，但是，# 4-1 和# 4-2 芯片表面的P 電極還是在解剖過程脫落，并觀察到P 電極底部存在疑似燒傷的現象；# 1-1、# 2-1、# 6-3 和# 4-3 芯片表面的P 電極周圍均存在疑似燒傷異常。其中具有代表性的# 1-1 芯片和#4-2 芯片的電子顯微鏡照片如圖1 所示。

2.2 微區形貌觀察

在掃描電鏡下觀察異常樣品芯片，異常樣品的芯片表面P 電極周圍部分區域粗糙，可見顆粒狀物質；電極脫落的異常樣品的芯片表面P 電極脫落處部分區域呈現粗糙狀，可見顆粒狀物質。# 1-1 芯片和# 4-2 芯片的SEM 圖像如圖2 所示。脫落的P 電極底部黏附有顆粒狀物質，其他未見明顯異常，# 4-2 芯片脫落的P 電極底部如圖3 所示。BT 板上的焊盤也無明顯異常，# 4-2 樣品裝配芯片的焊盤的SEM 圖像如圖4 所示。

圖2 LED 芯片的SEM 照片

圖3 脫落P 電極底部的SEM 照片

圖4 焊盤的SEM 照片

2.3 微區成分分析

從LED 芯片制造商和LED 封裝廠獲知，實驗所用樣品芯片電極為Cr/Al/Ti/Pt/Ti/Pt/Au 多層金屬電極結構，其中金屬Cr 為多層金屬電極結構的第一層在電極的底部，與芯片表面的GaN 接觸，具有較強粘附性；反射率高的Al 為第二層，作為反射鏡，把LED 射到電極上的光線再反射回去以減弱電極的吸光效應，增加光提取效率[1]。透明導電薄膜的主要成分是氧化銦（In2O3）。鈍化層的主要成分是二氧化硅（SiO2）。芯片的結構示意圖如圖5 所示。焊線為金線，所用BT 板為鍍銀板。封裝膠為環氧樹脂，熒光粉為YAG 稀土釔鋁石榴石型熒光粉。

圖5 芯片結構示意圖

對異常樣品進行EDS 檢測分析，能譜分析圖如圖6～9 所示。能譜分析圖中均出現了C 和O 元素譜線，但因受吸附在樣品表面的空氣中的油脂等污染物和EDS 儀器某些部件鍍碳等因素的影響，出現的C、O 元素不一定是被檢測物的構成元素，是否是被檢測物本身含有的元素需做具體分析。能譜分析圖6 中顯示在芯片表面P 電極附近的燒傷位置檢測到N、Ga、O、Si 和In 等元素，與芯片的外延層P-GaN、鈍化層和透明導電薄膜層的成分信息相同；從能譜分析圖6 中可見在P 電極附近的燒傷位置本來應該不存在的Au、Al 和Cr 等金屬元素譜線；在P 電極附近的燒傷位置還檢測到Cl 元素，此元素不是芯片的構成元素，應為異常元素；在P 電極脫落的位置檢測到Au 和Al 元素。從能譜分析圖7～9 可知，脫落P 電極底部、金屬引線和焊盤均正常，沒有檢測到異常元素。電極的組成材料由圖6～7 給出的EDS 的成分分析結果可以得到印證。

圖6 LED 芯片P 電極區域和附近EDS 分析

圖7 脫落的P 電極底部EDS 分析

圖8 打線EDS 分析

圖9 支架EDS 分析

2.4 失效機制分析

電遷移是一種在電場和溫度作用下的物質傳輸現象[2-5]。對于工作在高溫高濕環境下的LED 顯示器，其封裝為空封，而所用0603 燈珠也是濕度敏感器件，為非氣密性SMD 封裝，無法將水汽完全隔絕，水汽進入電極層，而電極層中鋁和鉻為較活潑的元素，容易電解成金屬離子，在電場和溫度作用下，更容易發生電遷移現象。在正電場的作用下，鋁和鉻等易電遷移的金屬離子隨著電場先遷移，向芯片的表面游離，導致出現金屬孔洞現象和金屬顆粒堆積現象[5]，使局部電阻增大，溫度升高，進而引發金等相對電遷移性差一些的金屬的電遷移。正如能譜分析圖6 和圖2 中的SEM 圖像所示，P 電極脫落處和P 電極附近檢測到金屬元素，觀察到顆粒狀物質。由于P 電極中金屬的電遷移，破壞P 電極與外延層的歐姆接觸，電阻增大，造成正向電壓升高現象。由于局部電阻增大，從而局部發熱嚴重，容易發生燒傷現象，正如圖1 所示。

電極層中含鋁，鋁是一種活性較高的金屬，既能溶于酸又能溶于堿。純鋁在pH=4～9 的水溶液中，與溶液中的氧有強烈的親合力，生產保護性較高的水合氧化鋁膜（Al（OH）2），抑制鋁的腐蝕。但是當溶液中存在侵蝕性離子如Cl－、Br－和F－等陰離子時，陰離子能在氧化鋁膜較薄或內部缺陷處發生點蝕，造成氧化鋁膜破壞，使鋁金屬層活化，最終導致鋁的腐蝕[6-7]。從能譜分析圖6 可見，電極附近存在氯（Cl）的滲入。電遷移此處的鋁在水和氯化物環境中，容易發生電化學腐蝕，形成麻點，生成Al（OH）Cl2型堿式氯化物鹽腐蝕產物[6-8]，其化學反應過程如下：

Al 表面快速電離生成Al3+，式（1）～（2）總反應為：

氯離子對鋁不斷電化學侵蝕，形成無數個腐蝕微電池，生成Al（OH）2Cl：

由于在試驗中，對LED 施加的是正向電壓，芯片P 電極處于正電場，N 電極處于負電場中，在電場的作用下，氯離子向P 電極附近集中，因此，P 電極附近的鋁容易出現被腐蝕現象。正如我們看到的一樣，芯片表面P 電極附近部分區域呈現粗糙狀，而N 電極處及附近未見明顯的異常。這點在我們安排的另外一項反向電壓試驗中LED 出現N 電極附近被腐蝕，P 電極處及附近未見明顯異常可以得到印證。如圖10 所示。由于LED 芯片的P電極附近被腐蝕，也會導致P 電極與LED 芯片的外延層之間的電流通道上的電阻增加，即表現為LED 的正向電壓增大異常。如果增加試驗時間，隨著Cl 的進一步滲入，電極處也將會出現被腐蝕的現象，出現電極脫落而開路不良。

圖10 不良品SEM 圖像

3 結束語

本文對白光LED 顯示器在高溫高濕通電240 h試驗后出現正向電壓增大異常的原因進行了探索。對產品使用的GaN 基白光LED 進行了解剖，用SEM 對微區進行形貌表征后發現，退化樣品芯片表面P 電極脫落處和P 電極附近有顆粒狀物質生成，并且部分區域存在燒傷異常；利用EDS 對P電極脫落處和P 電極附近進行成分分析后發現，在P 電極處生成的顆粒為Al、Cr 和Au 等金屬顆粒，在P 電極附近燒傷位置存在異常元素氯。分析認為，LED 正向電壓增大的主要原因是：P 電極中的Al、Cr 和Au 等金屬發生了電遷移以及電遷移至P 電極附近的鋁發生了電化學腐蝕，導致P 電極與LED 芯片的外延層之間的電流通道上的電阻增加，表現為LED 的正向電壓增大。

因此，在為LED 顯示器選型GaN 基白光LED燈源時，建議做以下工作：

a）要求LED 封裝廠提供封裝材料的環保報告，或提交封裝材料的無氯等腐蝕性元素的認證報告，確保使用的封裝材料不含有超標的氯等腐蝕性元素；

b）通過高溫高濕通電試驗驗證燈源的封裝氣密性。