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1、發(fā)光二極管失效分析1引言和半導(dǎo)體器件一樣,發(fā)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(dòng)的方法LED失效分析步驟必須遵循先進(jìn)行非破壞性、可逆、可重復(fù)的試驗(yàn),再做半破壞性、不可重復(fù)的試驗(yàn),最 后進(jìn)行破壞性試驗(yàn)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(jié)論。針對(duì)LED所具有的光電性能、樹(shù)脂實(shí)心及透明封裝等特點(diǎn),在LE D早期失效分析過(guò)程中,已總結(jié)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(shù)脂光學(xué)透視法在LED失效非破壞性分析技術(shù)中,目視檢驗(yàn)是使用最
2、方便、所需資源最少的方法,具有適當(dāng)檢驗(yàn)技能的人員無(wú)論在任 何地方均能實(shí)施,所以它是最廣泛地用于進(jìn)行非破壞檢驗(yàn)失效LED的方法。除外觀缺陷外,還可以透過(guò)封裝樹(shù)脂觀察 內(nèi)部情況,對(duì)于高聚光效果的封裝,由于器件本身光學(xué)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(shù)脂,再進(jìn)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(zhì)量。 諸如樹(shù)脂中是否存在氣泡或雜質(zhì);固晶和鍵合位置是否準(zhǔn)確無(wú)誤;支架、芯片、樹(shù)脂是否發(fā)生色變以及芯片破裂等失效 現(xiàn)象,都可以清楚地觀察到了。2.2半腐蝕解剖法對(duì)于LED單燈,其兩根引腳是靠樹(shù)脂固定的,解剖時(shí),如果將器件整體浸入酸
3、液中,強(qiáng)酸腐蝕祛除樹(shù)脂后,芯片和支 架引腳等就完全裸露出來(lái),引腳失去樹(shù)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(wèn)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(shù)脂,保留底部樹(shù)脂,使芯片和支架引腳等完全裸露出來(lái), 完好保持引線連接情況,以便對(duì)DUA全面分析。圖1所示為半腐蝕解剖前后的q 5LED,可方便進(jìn)行通電測(cè)試、觀 察和分析等試驗(yàn)。在LED-DUA缺陷分析過(guò)程中,經(jīng)常遇到器件初測(cè)參數(shù)異常,而解剖后取得的芯片進(jìn)行探針點(diǎn)測(cè),芯片參數(shù)又恢復(fù)正 常,這時(shí)很難判
4、斷異?,F(xiàn)象是由于封裝鍵合不良導(dǎo)致,還是封裝樹(shù)脂應(yīng)力過(guò)大所造成。采用半腐蝕解剖,保留底部樹(shù)脂, 祛除了封裝樹(shù)脂應(yīng)力的影響,又保持DUA內(nèi)部引線連接,這樣就很容易確認(rèn)造成失效的因素。2.3金相學(xué)分析法金相學(xué)分析法是源于冶金工業(yè)的分析和生產(chǎn)控制手段,其實(shí)質(zhì)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(guān)結(jié)構(gòu)和界面特征方面的現(xiàn)象1 LED的截面分析,是對(duì)LED-DUA失效分析的“最 后手段”,此后一般無(wú)法再進(jìn)行其他評(píng)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(yàn)中,需要對(duì)分析樣品進(jìn)行樹(shù)脂灌封,最后在細(xì)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(cè)向典型截面,可清楚地看到其結(jié)構(gòu)情況。2范白光LED側(cè)向典-型fSiflj需要注意的是GaN基LED中的藍(lán)寶石襯底異常堅(jiān)硬,由于目前尚未有較好的研磨方法,因此對(duì)這類的DUA還難以 對(duì)芯片進(jìn)行截面分析。2.4析因試驗(yàn)分析法析因試驗(yàn)是根據(jù)已知的結(jié)果,去尋找產(chǎn)生結(jié)果的原因而進(jìn)行的分析試驗(yàn)2。通過(guò)試驗(yàn),分清是主要影響還是次要影 響的因素,可以明確進(jìn)一步分析試驗(yàn)的方向。析因試驗(yàn)分析是一種半破壞性試驗(yàn)LEDDUA解剖分析對(duì)操作過(guò)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(guò)程中,經(jīng)常先采用析因試驗(yàn)分析法,分析工程師根據(jù)復(fù)測(cè)結(jié)果 和外觀檢查情況,綜合相應(yīng)理論知識(shí)和以往積累的分析經(jīng)驗(yàn),估計(jì)
6、器件失效原因,并提出針對(duì)性試驗(yàn)和方法進(jìn)行驗(yàn)證。 一般可采用相應(yīng)的物理措施和試驗(yàn)冷熱沖擊試驗(yàn)、重力沖擊試驗(yàn)、高溫或低溫試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)等。例如庫(kù)存9 5透明紅光LED單燈,出貨檢驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)個(gè)別LED間歇開(kāi)路失效現(xiàn)象,而兩次檢測(cè)只經(jīng)過(guò)搬動(dòng)運(yùn)輸,故先對(duì)DUA采用 重力沖擊試驗(yàn),出現(xiàn)試驗(yàn)后開(kāi)路失效,減薄樹(shù)脂后看到芯片與銀漿錯(cuò)位,是造成間歇開(kāi)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(dǎo)體器件相比,其失效分析除檢測(cè)DUA的電參數(shù)外,還必須關(guān)注光參數(shù)方面的變化。 除了通過(guò)專業(yè)測(cè)試儀檢測(cè)外,還可直接通過(guò)眼睛或借助顯微鏡觀察DUA的出光變化情況,經(jīng)??梢缘玫筋A(yù)想不到的收 獲。如果DUA按額定電流
7、通電,觀察時(shí)可能因出光太強(qiáng)而無(wú)法看清,而通過(guò)改變電流大小,可清晰地觀察到其出光情 況。例如GaN基藍(lán)光LED正向電壓Vf大幅升高的現(xiàn)象,在小電流下,有些可以觀察到因電流擴(kuò)展不良而造成芯片 只有局部發(fā)光的現(xiàn)象,顯然為電極與外延層間接觸不牢靠,在封裝應(yīng)力的作用下,接觸電阻變大所造成的失效。圖3為 經(jīng)減薄處理后9 5LED所觀察到的芯片小電流擴(kuò)展不良現(xiàn)象。瀏3 LXO芯片電流擴(kuò)履不皮現(xiàn)象2 . 6試驗(yàn)反證法LED失效分析過(guò)程中,經(jīng)常受到分析儀器設(shè)備和手段的限制,不能直觀地證明失效原因, 高素質(zhì)的分析工程師,經(jīng)常通過(guò)某些分析試驗(yàn),采取排除的辦法,推論反證失效原因。例 如DUA為8X8紅光LED點(diǎn)陣,半
8、成品初測(cè)合格,灌膠后出現(xiàn)單點(diǎn)LED反向漏電流 特大,受儀器設(shè)備限制,只有直流電源和LED光電參數(shù)測(cè)試儀,不能做解剖或透視分析, 測(cè)試中發(fā)現(xiàn)DUA正向光電參數(shù)無(wú)異常,而反向漏電流大,故采用反向偏置并加大電流全 數(shù)十毫安后,再測(cè)正向光電參數(shù),前后結(jié)果無(wú)明顯變化,說(shuō)明反向偏置中的數(shù)十毫安并非 從該LED芯片通過(guò),由此推定并非LED芯片造成漏電。3案例分析3.1結(jié)溫過(guò)高造成1W白光LED嚴(yán)重光衰失效現(xiàn)象:特殊照明用1W白光LED連續(xù)通電兩周后嚴(yán)重光衰。解析過(guò)程:進(jìn)行光電參數(shù)測(cè)試,除光通量嚴(yán)重下降外,其他電參數(shù)未見(jiàn)異常,同時(shí)發(fā)現(xiàn)使用環(huán)境散熱差,使用中器件外 殼溫度很高。初步認(rèn)為芯片結(jié)溫過(guò)高造成嚴(yán)重光衰。
9、根據(jù)阿侖尼斯模型給出計(jì)算不同結(jié)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(shù);t為某一溫度下的加電工作時(shí)間; p O為常數(shù);Ea為激活能;k為波耳茲曼常數(shù)(8 6 2 X 1 O 5eV);If為工作電流;Tj為結(jié)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(jié)到殼的熱阻】3??梢?jiàn)LED光通量的衰減快慢為系數(shù)P所決定,衰減系數(shù)P的大小又取決于結(jié)溫Tj的高低,而降低結(jié)溫Tj是通過(guò)降 低外殼溫度Tc和結(jié)到殼的熱阻Rjc來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
10、據(jù)此,我們采用析因試驗(yàn)分析法,對(duì)DUA采取臨時(shí)應(yīng)急降溫措施, 光衰得到明顯改善,即確定溫度過(guò)高是造成光衰的主要因素。為了徹底解決問(wèn)題,我們檢查和改善器件熱通道上的各環(huán) 節(jié),通過(guò)X光透視檢查芯片的倒裝質(zhì)量未見(jiàn)異常(圖4),排除芯片缺陷造成熱阻Rjc過(guò)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(yīng)用中增加通風(fēng)設(shè)計(jì),達(dá)到降低芯片結(jié)溫丁的目的, 最終使光衰問(wèn)題得到解決。3.2 ESD損傷致LED反向漏電流大失效現(xiàn)象:(P 5透明藍(lán)光GaN-LED單燈反向漏電流大。解析過(guò)程:進(jìn)行光電參數(shù)測(cè)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(shù)脂光學(xué)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(fā)現(xiàn)異常;由于藍(lán)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(diǎn),詳見(jiàn)圖5,初期判斷得到印證。3.3內(nèi)氣泡致LED單燈開(kāi)路失效現(xiàn)象:9 5透明藍(lán)光GaN-LED單燈使用中先閃爍后熄滅。解析過(guò)程:通電進(jìn)行參數(shù)測(cè)試,DUA呈開(kāi)路狀態(tài),采用減薄樹(shù)脂光學(xué)透視法分析,在立體顯微鏡下觀察封裝情況,發(fā) 現(xiàn)支架杯中芯片n電極邊上有一氣泡,其他部分未發(fā)現(xiàn)異常(圖6),由于芯片出現(xiàn)開(kāi)路的可能性極低,所以判斷應(yīng)為 引線開(kāi)路。解剖器件,發(fā)
12、現(xiàn)n極金線焊球脫離芯片電極造成開(kāi)路,因而使器件熄滅,判斷得到印證。圖6器件內(nèi)部氣泡造成開(kāi)胳3.4二焊開(kāi)路造成LED死燈失效現(xiàn)象:e 5透明藍(lán)光GaN LED單燈使用中熄滅。解析過(guò)程:通電進(jìn)行參數(shù)測(cè)試,DUA呈開(kāi)路狀態(tài),先用減薄樹(shù)脂光學(xué)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(diǎn)外,其他部分未發(fā)現(xiàn)異常;P電極二焊點(diǎn)金絲線體和焊接面厚度變化較為劇烈,過(guò)度不夠平滑。采用減薄 樹(shù)脂光學(xué)透視法,仍然無(wú)法看清開(kāi)路點(diǎn)。再用半腐蝕解剖法,解剖后可明顯看到P電極金絲二焊點(diǎn)斷開(kāi)(圖7),造成 器件熄滅,判斷得到印證。陋7二焊點(diǎn)斷裂開(kāi)路4注意事項(xiàng)4.1靜電防護(hù)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?fù)p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(fā)性失效,表現(xiàn)為pn結(jié)短路,LED不再發(fā)光;一為潛在性緩 慢失效,例如帶電體靜電勢(shì)或存貯的能量較低,一次ESD不足以引起發(fā)生突然失效,表現(xiàn)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(zhǎng))出現(xiàn)變化等。它會(huì)在芯片內(nèi)部造成一些損傷,這種損傷是積累性的,隨 著ESD次數(shù)的增多,LED的光電參數(shù)逐漸劣化,最后完全失效4。因此,在整個(gè)分析過(guò)程中,必須始終做好靜 電防護(hù)工作,防止靜電損傷DUA,否則可能導(dǎo)致完全錯(cuò)誤的失效分析結(jié)論。4.2焊接散熱保護(hù)因分析或測(cè)試等需要對(duì)DUA進(jìn)行烙鐵加熱焊接的,焊接前須評(píng)估烙鐵加熱過(guò)程對(duì)DUA造成的損壞和改變的可能性。 如果需要焊接的,應(yīng)對(duì)引腳
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