发光二极管失效分析(共13页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上发光二极管失效分析蔡伟智(厦门三安电子有限公司 , 福建 厦门 摘要 :基于发光二极管 (LE D 所具有的特点 , 系统地总结出一套发光二极管失效分析方 法 , 并给出了几个典型失效分析案例 , 简要阐述了失效分析过程中的注意事项 。通过失效分析 , 进一步优化和改善了 LE D 的制造技术 , 达到提高质量和可靠性的目的 。该方法在失效分析过程 中具有一定的指导意义 。关键词 :发光二极管 ; 失效分析 ; 解剖 ; 金相学中图分类号 :T N312+18 文献标识码 :A 文章编号 :X (2007 F ailure Analysis for Light Emi

2、tting DiodeCAI Wei 2zhi(Xiamen Sanan Electronics Co 1, Ltd 1, Xiamen , China Abstract :Based on the properties of light , was summarized , and several kinds of exam ples for , regulation analysis were explained. the further optimized and im proved for raising the of to the method of failure analysis

3、 for LE D 1 K ey LE ; analysis ; dissect ; metallography1 引言和半导体器件一样 , 发光二极管 (LE D 早期 失效原因分析是可靠性工作的重要部分 , 是提高 LE D 可靠性的积极主动的方法 。 LE D 失效分析步骤 必须遵循先进行非破坏性 、可逆 、可重复的试验 , 再做半破坏性 、 不可重复的试验 , 最后进行破坏性 试验的原则 。 采用合适的分析方法 , 最大限度地防 止把被分析器件 (DUA 的真正失效因素 、迹象丢 失或引入新的失效因素 , 以期得到客观的分析结 论 。 针对 LE D 所具有的光电性能 、树脂实心及透

4、明封装等特点 , 在 LE D 早期失效分析过程中 , 已 总结出一套行之有效的失效分析新方法 。2 LE D 失效分析方法211 减薄树脂光学透视法在 LE D 失效非破坏性分析技术中 , 目视检验 是使用最方便 、 所需资源最少的方法 , 具有适当检 验技能的人员无论在任何地方均能实施 , 所以它是 最广泛地用于进行非破坏检验失效 LE D 的方法 。 除外观缺陷外 , 还可以透过封装树脂观察内部情 况 , 对于高聚光效果的封装 , 由于器件本身光学聚 光效果的影响 , 往往看不清楚 , 因此在保持电性能 未受破坏的条件下 , 可去除聚光部分 , 并减薄封装 树脂 , 再进行抛光 , 这样

5、在显微镜下就很容易观察 LE D 芯片和封装工艺的质量 。 诸如树脂中是否存在 气泡或杂质 ; 固晶和键合位置是否准确无误 ; 支 架 、 芯片 、 树脂是否发生色变以及芯片破裂等失效 现象 , 都可以清楚地观察到了 。212 半腐蚀解剖法对于 LE D 单灯 , 其两根引脚是靠树脂固定的 , 解剖时 , 如果将器件整体浸入酸液中 , 强酸腐蚀祛 除树脂后 , 芯片和支架引脚等就完全裸露出来 , 引 脚失去树脂的固定 , 芯片与引脚的连接受到破坏 , 这样的解剖方法 , 只能分析 DUA 的芯片问题 , 而 难于分析 DUA 引线连接方面的缺陷 。因此我们采 用半腐蚀解剖法 , 只将 LE D

6、 2DUA 单灯顶部浸入酸 封装 、 测试与设备March 2007Semiconductor Technology Vol 132No 13 255液中 , 并精确控制腐蚀深度 , 去除 LE D 2DUA 单灯 顶部的树脂 , 保留底部树脂 , 使芯片和支架引脚等 完全裸露出来 , 完好保持引线连接情况 , 以便对 DUA 全面分析 。图 1所示为半腐蚀解剖前后的 5LE D , 可方便进行通电测试、 观察和分析等试验。图 1 半腐蚀解剖前后的 5LE D在 LE D 2DUA 缺陷分析过程中 , 经常遇到器件初测参数异常 , 测 , 芯片参数又恢复正常 , , 所造成 。 , 祛除了 ,

7、 又保持 DUA 内部引线连接 , 这样就很容易确认造成失效的因素 。 213 金相学分析法 金相学分析法是源于冶金工业的分析和生产控 制手段 , 其实质是制备供分析样品观察用的典型截 面 , 它可以获得用其他分析方法所不能得到的有关 结构和界面特征方面的现象 1。 LE D 的截面分析 , 是对 LE D 2DUA 失效分析的“ 最后手段” , 此后一般 无法再进行其他评估分析 。它也是一种 LE D 解剖 分析法 , 为了分析微小样品 , 在一般试验中 , 需要 对分析样品进行树脂灌封 , 以便进行机械加工 , 再 对所需要分析的界面进行刨削或切断 , 然后经过研 磨 、 抛光 , 获得所

8、要分析的界面 。而对 LE D 器件 , 有很多本身就是树脂灌封器件 , 这样只要选好界 面 , 就 可 通 过 刨 削 、研 磨 、抛 光 等 , 获 得 LE D 2DUA 的典型截面 。操作中 , 剖截面通常可用金刚 砂纸研磨 , 当接近所关注的区域时 , 改用较细的金 刚砂纸研磨或水磨 , 最后在细毛织物上用 0105m 的氧化铝膏剂抛光 。 图 2为 5白光 LE D 侧向典型 截面 , 可清楚地看到其结构情况 。图 2 5白光 LE D 侧向典型截面需要注意的是 G aN 基 LE D 中的蓝宝石衬底异 常坚硬 , 由于目前尚未有较好的研磨方法 , 因此对 这类的 DUA 还难以对

9、芯片进行截面分析 。214 析因试验分析法析因试验是根据已知的结果 , 去寻找产生结果 的原因而进行的分析试验 2。 通过试验 , 分清是主 要影响还是次要影响的因素 , 可以明确进一步分析 试验的方向 。 。LE D 2DUA , 稍不留, 经, , 综合相应理论知识和以往积累 , 估计器件失效原因 , 并提出针对性试 验和方法进行验证 。 一般可采用相应的物理措施和 试验 冷热冲击试验 、 重力冲击试验 、 高温或低 温试验和振动试验等 。例如库存 5透明红光 LE D 单灯 , 出货检验时出现个别 LE D 间歇开路失效现 象 , 而两次检测只经过搬动运输 , 故先对 DUA 采 用重力

10、冲击试验 , 出现试验后开路失效 , 减薄树脂 后看到芯片与银浆错位 , 是造成间歇开路失效的原 因 。215 变电流观察法作为光电器件的 LE D , 与一般半导体器件相 比 , 其失效分析除检测 DUA 的电参数外 , 还必须 关注光参数方面的变化 。 除了通过专业测试仪检测 外 , 还可直接通过眼睛或借助显微镜观察 DUA 的 出光变化情况 , 经常可以得到预想不到的收获 。 如 果 DUA 按额定电流通电 , 观察时可能因出光太强 而无法看清 , 而通过改变电流大小 , 可清晰地观察 到其出光情况 。 例如 G aN 基蓝光 LE D 正向电压 V f 大幅升高的现象 , 在小电流下

11、, 有些可以观察到因 电流扩展不良而造成芯片只有局部发光的现象 , 显 然为电极与外延层间接触不牢靠 , 在封装应力的作 用下 , 接触电阻变大所造成的失效 。 图 3为经减薄封装 、 测试与设备256 半导体技术第 32卷第 3期 2007年 3月处理后 5LE D 所观察到的芯片小电流扩展不良现 象 。图 3 LE D 芯片电流扩展不良现象216 试验反证法LE D 失效分析过程中 , 经常受到分析仪器设备和手段的限制 , 不能直观地证明失效原因 , 高素质的分析工程师 , 经常通过某些分析试验 , 采取排除 的办法 , 推论反证失效原因 。 例如 DUA 为 88红 光 LE D 点阵

12、, 半成品初测合格 , 灌胶后出现单点 LE D 反向漏电流特大 , 受仪器设备限制 , 只有直流 电源和 LE D 光电参数测试仪 , 不能做解剖或透视 分析 , 测试中发现 DUA , 反向漏电流大 , 毫安后 , 化 , LE D 芯 片通过 , LE D 芯片造成漏电 。3 案例分析311 结温过高造成 1W 白光 LE D 严重光衰失效现象 :特殊照明用 1W 白光 LE D 连续通电 两周后严重光衰 。解析过程 :进行光电参数测试 , 除光通量严重 下降外 , 其他电参数未见异常 , 同时发现使用环境 散热差 , 使用中器件外壳温度很高 。 初步认为芯片 结温过高造成严重光衰 。

13、根据阿仑尼斯模型给出计 算不同结温的期望工作寿命和激活能的公式P =P 0exp (-t =0I f exp (-E a /kT j 式中 :P 0为初始光通量 ; P 为加温加电后的光通 量 ; 为某一温度下的衰减系数 ; t 为某一温度下 的加电工作时间 ; 0为常数 ; E a 为激活能 ; k 为 波耳兹曼常数 (816210-5eV ; I f 为工作电流 ; T j 为结温 ; 而T j =T c +V f I f R j -c式中 :T c 为 DUA 的外壳温度 ; V f 为正向电压 ;R j -c 为芯片结到壳的热阻3。可见 LE D 光通量的衰减快慢为系数 所决定 , 衰

14、减系数 的大小又取决于结温 T j 的高低 , 而降 低结温 T j 是通过降低外壳温度 T c 和结到壳的热阻 R j -c 来实现的 。据此 , 我们采用析因试验分析法 , 对 DUA 采取临时应急降温措施 , 光衰得到明显改 善 , 即确定温度过高是造成光衰的主要因素 。 为了彻底解决问题 , 我们检查和改善器件热通道上的各 环节 , 通过 X 光透视检查芯片的倒装质量未见异 常 (图 4 , 排除芯片缺陷造成热阻 R j -c 过大的可能 ; 改用共晶焊键合降低热阻 R j -c , 加大散热器尺寸降低 外壳温度 T c , 并在应用中增加通风设计 , 达到降低芯 片结温 T j 的目

15、的 , 最终使光衰问题得到解决。图 4 1W 2LE D 芯片 X 光显微透视图312 E SD 损伤致 LE D 反向漏电流大失效现象 :5透明蓝光 G aN 2LE D 单灯反向漏 电流大 。解析过程 :进行光电参数测试 , 该 LE D 器件 反向漏电流大 , 在 5V 的反向电压下 , 漏电流为 50200A , 先用减薄树脂光学透视法 , 在立体显微 镜下观察封装情况 , 打线键合及固晶等均未发现异 常 ; 由于蓝光 G aN 2LE D 为静电敏感器件 , 初步判 定反向漏电流大是静电放电 (ES D 损伤所致 ; 再 用半腐蚀解剖法解剖 DUA , 在高倍显微镜下 , 可 清楚看

16、到芯片静电放电损伤的击穿点 , 详见图 5, 初期判断得到印证 。图 5 被 E DS 击穿的 LE D 芯片封装 、 测试与设备March 2007Semiconductor Technology Vol 132No 13 257313 内气泡致 LE D 单灯开路失效现象 :5透明蓝光 G aN 2LE D 单灯使用中 先闪烁后熄灭 。解析过程 :通电进行参数测试 , DUA 呈开路 状态 , 采用减薄树脂光学透视法分析 , 在立体显微 镜下观察封装情况 , 发现支架杯中芯片 n 电极边上 有一气泡 , 其他部分未发现异常 (图 6 , 由于芯 片出现开路的可能性极低 , 所以判断应为引线

17、开 路 。 解剖器件 , 发现 n 极金线焊球脱离芯片电极造 成开路 , 因而使器件熄灭 , 判断得到印证 。图 6 器件内部气泡造成开路314 二焊开路造成 LE D 死灯失效现象 :5透明蓝光 G aN 2LE D 熄灭 。, 状态 , , 观察封装情况 , 电极金丝二焊点外 , 其他部分 未发现异常 ; p 电极二焊点金丝线体和焊接面厚度 变化较为剧烈 , 过度不够平滑 。 采用减薄树脂光学 透视法 , 仍然无法看清开路点 。再用半腐蚀解剖 法 , 解剖后可明显看到 p 电极金丝二焊点断开 (图 7 , 造成器件熄灭 , 判断得到印证 。图 7 二焊点断裂开路4 注意事项411 静电防护

18、G aN 基 LE D 是静电敏感器件 , 容易因静电放电损伤 , 引起短路或漏电流大 , 反向呈软击穿特性 。 失效模式分为两种 :一为突发性失效 , 表现为 pn 结短路 , LE D 不再发光 ; 一为潜在性缓慢失效 , 例如带电体静电势或存贮的能量较低 , 一次 ES D 不足以引起发生突然失效 , 表现为漏电流加大 、 反 向呈软击穿特性 , 甚至亮度大幅度下降 、 光色 (主 波长 出现变化等 。它会在芯片内部造成一些损 伤 , 这种损伤是积累性的 , 随着 ES D 次数的增多 , LE D 的光电参数逐渐劣化 , 最后完全失效 4。因此 , 在整个分析过程中 , 必须始终做好静

19、电防护工 作 , 防止静电损伤 DUA , 否则可能导致完全错误 的失效分析结论 。 412 焊接散热保护 因分析或测试等需要对 DUA 进行烙铁加热焊 接的 , 焊接前须评估烙铁加热过程对 DUA 造成的 损坏和改变的可能性 。 如果需要焊接的 , 应对引脚 进行散热保护 , 例如用金属镊子夹住 DUA 引脚根 部 , , 。LE D 理论上的寿命是很长的 , 可达 105h , 早期失效一般是由于设计 、 材料 、 结构 、 工艺和使用 等环节上存在一些缺陷所引起的 , 无论从使用现场 还是试验中获得失效器件 , 均可采用本文中的一种 或数种分析方法结合并用 , 寻找 、确定失效原因 ,

20、以便进一步完善 LE D 制造技术 , 使 LE D 的长寿命 、 高可靠的优点得到充分的体现 。 参考文献 :1M ARTI N P L. E lectronic failure analysis handbookM.张伦译 . 北京 :科学出版社 ,2005:.2茅以升 . 现代工程师手册 M.北京 :北京出版社 ,1987:.3赵敏 , 张万生 . 白光功率 LE D 的加速寿命试验 C 第十届全国 LE D 产业研讨与学术会议论文集 . 中国光学光 电子行业协会光电器件分会 ,2006:34237.4蔡伟智 . G aN 基 LE D 的静电防护技术 J.国际光电与显示 ,2004,8:.(收稿日期 :作者简介 :蔡伟智 (1960, 男 , 高级工程师 , 厦门三安电子有限公司副总 工程师兼品管部经理 , 主要从事 LE D 及相关产品的研发、 可靠性工 程和质量管理。封装 、 测试与设备258 半导体技术第 32卷第 3期 2007年 3月专心-专注-专业