- LED主要失效模式分析及其改善
- 采用散熱技術和防靜電技術
- 采用封裝技術和優化制造工藝
LED是一種直接將電能轉換為可見光和輻射能的發光器件，具有耗電量小、發光效率高、體積小等優點，目前已經逐漸成為了一種新型高效節能產品，并且被廣泛應用于顯示、照明、背光等諸多領域。近年來，隨著LED技術的不斷進步，其發光效率也有了顯著的提升，現有的藍光 LED系統效率可以達到60%；而白光LED的光效已經超過150lm/W，這些特點都使得LED受到越來越多的關注。
目前，雖然LED的理論壽命可以達到50kh，然而在實際使用中，因為受到種種因素的制約，LED往往達不到這么高的理論壽命，出現了過早失效現象，這大大阻礙了LED作為新型節能型產品的前進步伐。為了解決這一問題，很多學者已經開展了相關研究，并且得到了一些重要的結論。本文就是在此基礎上，對造成 LED失效的重要因素進行系統性的分析，并且提出一些改善措施，以期望能夠完善LED的實際使用壽命。
一、LED失效模式
LED失效模式主要有：芯片失效、封裝失效、熱過應力失效、電過應力失效以及裝配失效，其中尤以芯片失效和封裝失效最為常見。本文將就這幾種主要失效模式，進行詳細的分析。
(1) 芯片失效
芯片失效是指芯片本身失效或其它原因造成芯片失效。造成這種失效的原因往往有很多種：芯片裂紋是由于鍵合工藝條件不合適，造成較大的應力，隨著熱量積累所產生的熱機械應力也隨之加強，導致芯片產生微裂紋，工作時注入的電流會進一步加劇微裂紋使之不斷擴大，直至器件完全失效。其次，如果芯片有源區本來就有損傷，那么會導致在加電過程中逐漸退化直至失效，同樣也會造成燈具在使用過程中光衰嚴重直至不亮。再者，若芯片粘結工藝不良，在使用過程中會導致芯片粘結層完全脫離粘結面而使得樣品發生開路失效，同樣也會造成LED在使用過程中發生“死燈”現象。導致芯片粘結工藝不良的原因，可能是由于使用的銀漿過期或者暴露時間過長、銀漿使用量過少、固化時間過長、固晶基面被污染等。
(2) 封裝失效
封裝失效是指封裝設計或生產工藝不當導致器件失效。封裝所用的環氧樹脂材料，在使用過程中會發生劣化問題，致使LED的壽命降低。這種劣化問題包括：光透過率、折射率、膨脹系數、硬度、透水性、透氣性、填料性能等，其中尤以光透過率最為重要。有研究表明光的波長越短，光透過率的劣化越嚴重，但是對于綠光以上波長(即大于560nm)來說，這種影響并不嚴重。Lumileds2003年曾公布過功率LED白光器件和φ5白光器件的壽命實驗曲線，19kh后，用硅樹脂封裝的功率器件，光通量仍可維持初始的80%，而用環氧樹脂封裝的對比曲線則表示在6kh后，光通量維持率僅為50%。實驗表明，在芯片發光效率相同的情況下，靠近芯片的環氧樹脂明顯變成黃色、繼而變成褐色。這種明顯的退化過程，主要就是由于光照以及溫升引起的環氧樹脂光透過率的劣化所造成的。與此同時，在由藍光激發黃色熒光粉發出白光的LED中，封裝透鏡的褐變會影響其反射性，并且使得發出的藍光不足以激發黃色熒光粉，從而使得光效和光譜分布發生改變。
對于封裝而言，還有一個影響LED壽命的重要因素就是腐蝕。在LED使用中，一般引起腐蝕的主要原因是水汽滲入了封裝材料內部，導致引線變質、PCB銅線銹蝕；有時，隨水汽引入的可動導電離子會駐留在芯片表面，從而造成漏電。此外，封裝質量不好的器件，在其封裝體內部會有大量的殘留氣泡，這些殘留的氣泡同樣也會造成器件的腐蝕。
(3) 熱過應力失效
溫度一直是影響LED光學性質的重要因素，而在研究LED失效模式的時候，國內外學者考慮到將工作環境溫度作為加速應力，來進行LED加速壽命實驗。這是因為在LED系統熱阻不變的前提下，封裝引腳焊接點的溫度升高，則結溫也會隨之升高，從而導致LED提前失效。
圖：高功率LED的模型結構圖以及在工作環境溫度分別為
(a)120℃、(b)100℃和(c)80℃下輻射功率和加速時間的關系圖
(a)120℃、(b)100℃和(c)80℃下輻射功率和加速時間的關系圖
Hsu等人對不同廠商所提供的LED樣品進行加速壽命實驗，該實驗將LED樣品分別置于80、100、120℃下，使用3.2V電壓驅動，并且規定當樣品的光功率下降到起始值的50%時，即判定為失效。圖1實驗結果表明：高功率LED的壽命隨著加速壽命實驗溫度的升高以及加速時間的增加而減小。在加速壽命實驗中，LED結溫升高會使得環氧樹脂材料發生異變，從而增加了系統的熱阻，使得芯片與封裝之間的受熱表面發生退化，最終導致封裝失效。
[page]
(4) 電過應力失效
LED若在過電流的情況下使用(EOS)或者靜電沖擊損傷(ESD)了芯片，都會造成芯片開路，形成電過應力失效。例如，GaN是寬禁帶材料.電阻率較高。如果使用該類芯片，在生產過程中因靜電產生的感生電荷不易消失，當其累積到相當的程度時，可以產生很高的靜電電壓，這一電壓一旦超過材料的承受能力，就會發生擊穿現象并放電，使得器件失效。
二、改善措施
通過對以上所介紹的LED主要失效模式的分析，可以從中獲悉改善LED在實際使用壽命的技術方法。
(1) 散熱技術
散熱技術一直是影響LED應用的重要環節，如果LED器件不能夠及時散熱，就會導致芯片的結溫嚴重升高，繼而發光效率急劇下降，可靠性(如壽命、色移等) 將變壞；于此同時，高溫高熱將使LED封裝結構內部產生機械應力，可能進一步引發一系列的可靠性問題[5]。因此，在制造工藝上，可以選擇導熱性好的底座，并且使得LED的散熱面積盡可能的大，從而增加器件的散熱性能。
(2) 防靜電技術
以GaN作為芯片的LED，在使用中存在的一個很大問題就是靜電效應，如果不處理好這一問題，就會嚴重影響到器件的壽命。因此，在LED設計時，要充分考慮到防靜電的設計，以避免器件因為高靜電電壓造成擊穿等失效現象。
(3) 封裝技術
封裝所用的環氧樹脂材料，會因為光照以及溫升而引起其光透過率的劣化，在使用中則表現為原本透明的環氧樹脂材料發生褐變，影響器件原本的光譜功率分布。因此，在進行LED封裝的時候，我們要嚴格控制固化的溫度，避免在進行封裝的時候，就已經造成了環氧樹脂的提前老化。
另一方面，為了防止器件發生腐蝕現象，在選擇透明性好的封裝材料的同時，要注意注塑過程中，盡量排干凈材料內部的氣泡，以減小水氣的殘留量，降低器件發生腐蝕的幾率。
(4) 優化制造工藝
LED制造過程中需要合適的鍵合條件，若鍵合過大將會壓傷芯片，反之則會造成器件的鍵合強度不足，使得器件容易脫松。因此，在保證器件鍵合強度的同時，需要盡量降低鍵合工藝對芯片造成的損傷，以達到優化鍵合工藝的目的。
在進行芯片的粘接時，要求控制溫度和時間在合適的范圍之內，使得焊料達到致密，無空洞，殘余應力小等工藝要求。
(5) 合理篩選
在LED出廠前，可以增加一道篩選工藝，就是對其中的一些樣品進行合理的老化和篩選試驗，剔除一些可能發生提前失效的器件，以降低LED在實際使用中的提前失效現象。
結論
綜上所述，盡管LED具有很高的理論壽命，但是在實際使用過程中，受芯片、封裝、應力等因素的影響，使用時間遠遠不能達到所預期的理論值。為了確實提高 LED的壽命，無論是在制造工藝上，還是在應用層面上，都需要更進一步的研究、探索和實踐。隨著LED技術的不斷發展，必定還會有新的問題不斷浮現。但是只要能夠掌握LED失效的根本原因，就能在實踐中確實改善 LED器件的性能，將這種新型光源推廣到應用領域的前端，更好地服務于生產和生活。
