LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)及失效模式分析01版

LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)及失效模式分析

日期:2013/01/04工程部解析課一、LED發(fā)光原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.LED

的發(fā)光機(jī)理LED其核心是PN結(jié),PN結(jié)是指在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間的一個(gè)過渡層。在一定條件下，如圖1.1所示，PN結(jié)中，電子從N型材料擴(kuò)散到P區(qū)，而空穴從P型材料擴(kuò)散到N區(qū)，就在PN結(jié)處形成一個(gè)勢壘，阻止了電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散，達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)PN結(jié)外加一個(gè)正向偏置電壓時(shí)，PN結(jié)勢壘將降低，N區(qū)的電子將注入到P區(qū)，P區(qū)的空穴注入到N區(qū)，從而出現(xiàn)非平衡狀態(tài)。這些新注入的電子和空穴在PN結(jié)相遇發(fā)生復(fù)合，將多余的能量以光的形式釋放出來，即電能轉(zhuǎn)化為光能。圖1.1發(fā)光原理圖2.LED物理結(jié)構(gòu)LED燈珠主要由五個(gè)部分組成，它們分別是：支架、銀膠、晶片、金線、環(huán)氧樹脂。以下針對(duì)這五個(gè)主要部分進(jìn)行分別介紹：2.1支架1）支架的作用：用來導(dǎo)電和支撐

2）支架的組成：支架由支架素材經(jīng)過電鍍而形成，由里到外是素材、銅、鎳、銅、銀這五層所組成。2.2銀膠:

1）銀膠的作用：固定晶片和導(dǎo)電的作用。

2）銀膠的主要成份：銀粉占75-80%、EPOXY（環(huán)氧樹脂）占10-15%、添加劑占5-10%。圖1.2LED兩常見封裝結(jié)構(gòu)一、LED發(fā)光原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.3晶片（Chip）：

1）晶片的作用：晶片是LED的主要組成物料，是發(fā)光的半導(dǎo)體材料。

2）晶片的組成：晶片是采用磷化鎵（GaP）、鎵鋁砷（GaAlAs）或砷化（GaAs）、氮化鎵（GaN）等材料組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

3）晶片的結(jié)構(gòu)：焊單線正極性（P/N結(jié)構(gòu)）晶片，雙線晶片。晶片的尺寸單位：mil，晶片的焊墊一般為金墊或鋁墊。其焊墊形狀有圓形、方形、十字形等。2.4金線：1）金線的作用：連接晶片PAD（焊墊）與支架，并使其能夠?qū)?。金線的純度為99.99%Au；延伸率為2-6%，金線的尺寸有：0.9mil、1.0mil、1.1mil等。

圖1.3芯片微結(jié)構(gòu)及等效電路圖1.4清晰金線圖一、LED發(fā)光原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.5環(huán)氧樹脂：

1）環(huán)氧樹脂的作用：保護(hù)LED的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可稍微改變LED的發(fā)光顏色，亮度及角度；使LED成形。2）封裝樹脂包括：A膠（主劑）、B膠（硬化劑）、DP（擴(kuò)散劑）、CP（著色劑）四部份組成。其主要成分為環(huán)氧樹脂（EpoxyResin）、酸酐類（酸無水物Anhydride）、高光擴(kuò)散性填料（Lightdiffusion）及熱安定性染料（dye）。一、LED發(fā)光原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1.5LED實(shí)體中間部分為環(huán)氧樹脂及膠體3.LED各種類型封裝實(shí)體圖圖1.6LED各種類型實(shí)體圖二、LED內(nèi)部失效模式1.LED失效類型及失效機(jī)理(模式)

1.1LED失效類型可分：

災(zāi)難性失效是指能夠?qū)е翷ED不能發(fā)光或者在正常驅(qū)動(dòng)電流下只能發(fā)出微弱光線的失效。

參數(shù)失效是指會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵特性偏離出可接受范圍的失效。1.2LED失效機(jī)理（模式）可分：A封裝失效：指的是支架銹蝕、金線斷裂、封裝材料（固晶膠、封裝膠等）結(jié)構(gòu)變化（退化）、熒光粉失效等引起的失效。B芯片失效：指的是由芯片材料缺陷、電極材料劣化、PN結(jié)結(jié)構(gòu)損傷、芯片電極歐姆接觸不良及芯片污染等引起的失效。C電應(yīng)力失效：指的是由過電流過電壓沖擊、過驅(qū)動(dòng)、靜電損傷等引起的失效。D熱應(yīng)力失效：指的是結(jié)溫過高、惡劣環(huán)境等引起的失效。E裝配失效：指的是焊接不良、裝配不當(dāng)?shù)纫鸬氖?。二、LED內(nèi)部失效模式2.LED應(yīng)用典型失效案例及預(yù)防失效現(xiàn)象可能失效原因案例圖示預(yù)防措施

1、死燈1、LED散熱不佳，固晶膠老化、層脫，芯片脫落做好LED散熱作，保證LED的散熱通道順暢（焊接時(shí)防止LED懸浮、傾斜）2、過電流、過電壓沖擊/驅(qū)動(dòng)，芯片燒毀（開路或短路）做好EOS防護(hù)，防止過電流過電壓沖擊或者長時(shí)間驅(qū)動(dòng)LED3過電流沖擊，金線燒斷防止過電流過電壓沖擊LED4、使用過程中，未做好ESD防護(hù)，導(dǎo)致LEDPN結(jié)被靜電擊穿——做好ESD防護(hù)工作二、LED內(nèi)部失效模式失效現(xiàn)象可能失效原因案例圖示預(yù)防措施5、焊接溫度過高，膠體膨脹劇烈扯斷金線或外力沖擊碰撞封裝膠體，扯斷金線按照推薦的焊接條件焊接使用；裝配過程中注意保護(hù)封裝結(jié)構(gòu)部分不受損壞6、齊納被擊穿造成短路或者裝配時(shí)LED正負(fù)極被短接或者PCB板短路做好ESD防護(hù)工作；避免正負(fù)極短接；排查PCB線路是否短接

2、光輸出微弱（微亮）1、過電流驅(qū)動(dòng)造成芯片電極加速劣化，接觸不良，VF嚴(yán)重上升（可由3V左右上升到5V以上）在額定電流內(nèi)使用LED二、LED內(nèi)部失效模式失效現(xiàn)象可能失效原因案例圖示預(yù)防措施2、過電壓或是過電流沖擊后

PN結(jié)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重

受損，

VF嚴(yán)重上升

（可由

3V左右上升

到

5V以上）在額定電壓電流內(nèi)使用LED

3、嚴(yán)重ESD損傷，PN結(jié)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損，VF嚴(yán)重上升做好ESD防護(hù)工作

3.光衰大（>10%）1、散熱不好或是過電流使用造成熱量積累，在高溫條件下封裝膠體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（發(fā)黑、變硬，甚至開裂）保證充分散熱及在額定電流內(nèi)使用二、LED內(nèi)部失效模式失效現(xiàn)象可能失效原因案例圖示預(yù)防措施2、過電流驅(qū)動(dòng)使用，加速芯片老化，芯片發(fā)光效率下降——在額定電流內(nèi)使用LED3、ESD損傷，IR嚴(yán)重上升或是有其他電路通道導(dǎo)通分走一部分電流做好ESD防護(hù)工作

4.閃爍1、膠體受外力作用，金球、二焊點(diǎn)不完全剝離，伴隨著熱脹冷縮時(shí)而接觸時(shí)而剝離（開路），或是金線坍塌，處于臨界短路狀態(tài)避免膠體受強(qiáng)的外力作用；SMT設(shè)備的吸嘴尺寸選用要合適；嚴(yán)格控制LED制程,防止LED金線坍塌2、驅(qū)動(dòng)電源故障，產(chǎn)生間接性電流——通過示波器檢測然后排除故障三、L/B不良解析1.1、點(diǎn)燈不可的不良現(xiàn)象

a、整體燈條點(diǎn)燈不可亮

b、1串（或者2串）點(diǎn)燈不亮

c、閃爍1、廠內(nèi)以101NC05L/B失效案例分析1.2、不良可能原因分析

2.1、FPC折傷引起斷路

2.2、FPC與燈條連接處接觸不良

2.3、LED單個(gè)顆粒焊點(diǎn)不良

2.4、燈條上電容焊點(diǎn)不良

2.5、金手指凹槽處斷裂（顯微鏡下看）

2.6、LED燈珠內(nèi)部失效FPC折傷FPC與燈條連接處斷焊點(diǎn)不良金手指凹槽處斷外觀檢查光學(xué)顯微鏡電性測量福祿克萬用表1.3、廠內(nèi)L/B失效分析儀器簡介圖1.8光學(xué)顯微鏡圖1.7Fluck18B型號(hào)萬用表三、L/B不良解析三、L/B不良解析小結(jié)：通過萬用表、光學(xué)顯微鏡可解析確認(rèn)FPC折傷引起斷路、FPC與燈條連接處接觸不良、LED單個(gè)顆粒焊點(diǎn)不良、燈條上電容焊點(diǎn)不良等L/B失效項(xiàng)目，并能確認(rèn)LED內(nèi)部失效引起的L/B點(diǎn)燈不可的顆粒單體。但目前廠內(nèi)仍無法解析LED內(nèi)部失效原因。2.LED內(nèi)部失效分析失效樣品保存外觀檢查性能測試開封、制樣定位失效點(diǎn)2.1LED內(nèi)部失效分析流程物理分析確定失效機(jī)理內(nèi)部分析故障模擬分析2.2LED失效分析過程對(duì)應(yīng)分析儀器簡介外觀檢查光學(xué)顯微鏡、金相顯微鏡、掃描顯微鏡無損分析X射線透視儀、掃描聲學(xué)顯微鏡（C-SAM）電測探針臺(tái)、示波器、LCR測試儀、半導(dǎo)體參數(shù)測試儀開封、制樣開封機(jī)、腐蝕機(jī)、切割機(jī)理化分析掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）能譜分析儀（EDS）三、L/B不良解析三、L/B不良解析1）

LED無損成品X-Ray設(shè)備簡介及效果圖三、L/B不良解析2）

Decap（開封）設(shè)備簡介及LED開封效果酸開封機(jī)三、L/B不良解析3）

電子掃面顯微鏡簡介及LED開封后掃描效果總結(jié)1)在LED的失效案例中，很大部分是金線連接部分出現(xiàn)問題，作業(yè)過程中需克服由金線引起的失效風(fēng)險(xiǎn)。2)

LED是恒流驅(qū)動(dòng)器件，恒壓驅(qū)動(dòng)長期使用會(huì)極大影響LED的壽命。過電壓過電流沖擊、使用也很大可能會(huì)造成LED的失效，應(yīng)在LED的額定電流內(nèi)使用。3)LED是溫度敏感器件，結(jié)溫升高會(huì)影響