LED失效分析解析

LED的發光源是由所謂的III-V化合物所構成,即大家熟知的磊晶晶粒(chip),該固態化合物本身性質很安定,在產品所規範的條件下使用並不易損壞,而處於一般的應用環境中也不起化學反應,因此擁有較長的產品壽命。然而,為使該LED chip發光,必須由外界通入電流,因此一般會把尺寸很小的chip黏貼在特定的載台(或稱導線架)上並以金屬線或銲錫等材料連接chip的正負兩極,然後用高分子材料包覆整個載台,這就是所謂的封裝製程,經過這段製程後成為市面上常見一顆顆的LED燈粒。在實際應用時,還會視所需把數顆LED燈粒組裝成模組,最後再與其它功能的模組組合成為終端產品。

從上可知,一個LED產品的失效,起因可能來自於該產品的任何一個部份,故必須抽絲剝繭方能找到真正的失效原因。針對失效來自LED燈粒而言,因完整的LED燈粒中,LED chip本身很強壯,但包覆chip的封裝材料則易遭受損傷,因此,LED燈粒的失效多可歸因於封裝材料的破壞或劣化所導致。若要充分解析這類失效,牽涉到光學、化學、材料學、電子物理學等領域的專業知識,並搭配精密的儀器與豐富的實務經驗,才能確認失效點並推導真因,進而提出改善對策。本公司宜特科技在替LED產品進行相關失效測試時,發現許多總類的LED失效現象,也研發出相對應的解析手法,藉此文將過去三年多服務LED客戶之經驗做一分享:

1. 不亮:這種失效是指LED通電後完全不發光。一般而言,導電路徑上的 」斷路(open)"是本類失效的主因之一,確認斷路的方法也十分簡易,以常見的三用電錶就可驗證。不過,要找到斷路點就必須做進一步的解析,例如:可用X-ray來確認打線是否斷線或脫離、用SEM(掃瞄式電子顯微鏡)觀察剖面結構可檢查黏晶部份的缺陷等等。本類失效的第二個主因是 」短路(short)」 ,這是因為電流未確實通過LED chip,而是流經」旁門左道」,故LED燈粒自然不會發光,如:因發生電子遷移導致電極金屬原子的不正常擴散,譬如氧化銦錫(ITO)、銀或是GaN/InGaN二極體中的阻擋層金屬等都可能因機械應力、高電流密度或在腐蝕性的環境發生此類異狀。其它的原因可能是打線偏移、黏晶膠爬膠等等。這種失效必須利用I-V curve(電流-電壓圖)才能判定,至於失效點因為從外觀無法檢查到上述缺陷,故需先以X-ray來確認;或是化學溶液去除LED封裝材料後,再使用光學(OM)或電子顯微鏡(SEM)仔細檢查。
         
                    短路爬膠                                               開路斷線

2. 變色:這類失效是指LED不點亮的狀況下,外觀顏色或膠材透明度與新品不同,用肉眼即可看出,通常在產品使用一段時間或在做完可靠度試驗後發生。一般說來,變色區域大致可區分為發生在導線架或封裝膠材兩類,若發生在導線架,通常是因為表面與環境中的化學物質發生反應,如氧化或硫化,要分辨屬於哪種需仰賴成份分析,可使用的儀器包含有EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscope)、XPS(X-ray Photoelectron Spectrometer)、AES(Augur Electron Spectroscope)等等。若是封裝用的膠材發生變色,則屬於高分子材料的劣化現象,如環氧樹脂易受高溫或是紫外光影響而變黃,因此白光LED多改採矽膠取代之。分析此類失效應特別留意,因膠材本身有一定的透明度,有時變色的導線架因被膠材蓋住而誤判為膠材變色,引導至錯誤的改善方向。
                                                            
                                            支架變色

3. 光衰:這種失效係指LED發出的光強度低於新品。如前面章節所述,光衰程度已成為評判LED照明產品壽命的重要指標,所以這類失效的分析就相當重要。整體來說,本類失效的分析非常複雜,因為影響光強度的因素非常多,如chip劣化、反射杯的劣化、膠材與chip間脫層、膠材透明度下降、打線接合面電阻上升、熱阻太高等等,若發生在白光LED,則還需考慮螢光粉劣化的問題,因白光LED通常使用一或多種的螢光粉,它們會受到熱或濕氣的影響而衰減並降低效率,導致產出的光色改變。分析的手法包括有:非破壞檢測,如外觀檢查、LED電性曲線、積分球的光學特性等等,用上述數據綜合判斷,逐一排除,當推斷可能原因後,接著進行破壞性分析,利用樣品製備技術製作出適合的分析樣品,再輔以各種儀器如SAT(Scanning Acoustic Tomography)超音波掃瞄、FTIR(Fourier Transform InfraRed)傅立葉轉換紅外光譜儀、TEM(Transmission Electron Microscope)穿透式電子顯微鏡、SEM(Scanning Electron Microscope)等等加以驗證,方能到真因。
                                
                                         白光LED光衰分析 – 黃光強度衰減

4. ESD失效:這是一種靜電放電所引起的chip破壞,在MOS IC的產品中非常重視此現象,對LED而言,過往因砷化鎵(GaAs)晶片本身可導電,故這類問題並不常見,但因白光LED使用不導電的藍寶石基板,而且基板與GaN等材料間因晶格不匹配會形成內部缺陷(如差排),對ESD的損害更為敏感。靜電的放電可能產生半導體接合點(junction)立即的失效或特性的永久漂移及潛在的損壞都會導致衰減的速率增加。有幾種現象可用來幫助判斷chip是否遭受靜電破壞,譬如反向偏壓漏電流大增、chip僅局部發光、chip表面出現局部熔融點等等。有時,一開始的靜電破壞的程度不高,LED的電特性、發光特性、chip表面完整性皆無異狀,但這種破壞會因累積而逐漸明顯,有時卻也可能安然度過整個產品生命週期,一旦生產線未做好靜電防護措施時,所生產的產品的客退率將會忽高忽低,面對這種現象,失效分析也未必可尋得真因,因此做好生產線靜電防護措施才是最佳解決之道。
     
                    ESD失效LED GaN材料I-V curve圖

   

                      靜電放電破壞

5. 其他:突然間的失效常常是因為熱應力所致,當環氧樹脂的封裝達到玻璃轉移溫度(Tg)時,樹脂會很快速的膨脹,在半導體和焊點接觸的位置產生機械應力來弱化或扯斷它,而在非常低的溫度時則會讓封裝產生裂痕。   此外,高功率LED對電流的擁擠敏感,不均勻的電流密度分佈在接合點(junction)上,可能會產生局部的熱點,存在熱燒燬的風險,若再出現基板的熱傳不均勻,將使問題變得更嚴重,這常見於銲接材料的孔洞或是電子遷移效應和Kirkendall空洞,故熱燒燬亦是LED常見的失效模式。

結語:LED燈粒及chip的結構與常見IC來比相對簡單,但在應用時卻同時涉及光、電、熱等現象,所以發生失效的原因較為複雜,在失效分析時所執行的步驟反而較為多元,同時LED chip與封裝結構因專利之故,各家產品並不相同,分析時所需之樣品製備的複雜度也遠大於常規IC,因此優良的樣品製作技術、完整的分析儀器加上豐富的經驗綜合判斷,才能獲得正確的失效分析結果。       
     
                  LED失效原因魚骨圖
      
                     LED失效分析流程
 

本文作者:

宜特科技整合服務工程處  邵桶俊經理

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