移動通信用片式藍、白光LED器件可靠性探討

吳美華

藍、白光片式LED器件是當今半導體光源的寵兒，用作移動通信工具的顯示光源更是一種時尚。自從1992年第1只氮化鎵（GaN）基藍色發光二極管問世后，其壽命和可靠性一直被世人所關注。GaN LED行業由于美、日等國的瘋狂投入，其發展之迅速、成果之驚人，眾所周知。我國在這方面做了大量的工作，取得了巨大的進展。早在20世紀90年代末，傳統封裝的藍光器件已形成大規模生產，白光LED也已形成產業，工藝已基本成熟。伴隨移動通信的發展，新型封裝的片式LED也迅速擴展。對傳統LED器件的可靠性的測評、失效模式的分析，已基本形成較固定的模式，傳統封裝的藍、白光LED器件的可靠性也已有很多探討。而對于移動通信用片式藍、白光LED器件的可靠性測評、失效模式的預測則是一個新的領域，在這方面也有很多科研機構、生產廠家作過研究，并有一些報道。本文介紹了筆者所在公司對藍、白光片式LED器件的可靠性測評方案及試驗結果，結合筆者公司在藍、白光片式LED器件可靠性方面作的一些探索，談談對移動通信用片式藍、白光LED器件可靠性測評方案及試驗情況、可靠性的影響因素及保證措施，與同行共同探討。

1 產品可靠性的概念

產品的可靠性是指產品在使用過程中盡量不出故障、少出故障的一種特性，是產品質量的時間指標。用戶不僅希望產品具有良好的功能，而且希望產品經久耐用，長時間保持其功能，不發生故障或很少發生故障，這種功能的持續能力就是可靠性。可靠性通常定義為產品在規定條件和規定時間內完成規定功能的能力。由于功能的持續能力具有概率統計特性，因此可靠性也可以定義為產品在規定條件和規定時間內完成規定功能的概率。

2 產品可靠性的實現途經

通常所說的產品可靠性是設計、生產和管理出來的，是通過“試驗—分析—改進”的循環過程而不斷提高和不斷增長的。設計階段是產品可靠性的奠基階段，生產階段是產品可靠性的保證階段，對產品的試驗、分析與改進是產品可靠性的改進和提高階段。

通常，可靠性設計措施包括：產品結構設計、材料選擇、可靠性工藝設計、可靠性試驗設計等。為實現并保證移動通信用片藍、白光片式LED器件的可靠性，從設計階段開始，分析研究移動通信用片藍、白光片式LED器件的可靠性指標，進行產品故障模式、影響及危害性分析，對該類產品進行可靠性的結構設計，裝配方式、光電參數性能、材料、工藝方案、試驗方案等設計，編制了產品可靠性大綱，制定了可靠性工作計劃，并對產品所用零部件和原材料選擇和可靠性關鍵過程進行控制。為確定適合移動通信用藍、白光LED器件并能保證可靠性，在試制、生產階段對不同的方案進行對比分析并進行多批次可靠性試驗。

3 產品可靠性工作計劃

為確保移動通信用片式藍、白光LED器件可靠性，根據移動通信用藍、白光片式LED器件的特點，制定了可靠性工作計劃，如表1所示。

4 可靠性試驗方案及試驗結果

根據多年傳統LED及藍、白光LED器件的生產經驗、片式封裝的結構特點及移動通信工具的使用特點，對移動通信用片式藍、白光LED器件設計了可靠性試驗方案并進行了可靠性測評試驗，見表2。

按照試驗方案進行了多次可靠性試驗，上述試驗數據表明，藍、白光片式LED具有良好的可靠性，完全能滿足移動通信工具的使用要求。

5 影響藍、白光片式LED可靠性的因素及保證措施

目前SMD系列LED器件的用片式LED器件的結構主要為印刷電路板（PCB）片式LED，主要規格有0603，包括紅、綠、黃、藍、白等各種顏色。具有體積小、散射角大、發光均勻好、可靠性高等優點。由于片式LED產品結構的微小、超薄化及藍、白光芯片的特殊性，因此其可靠性主要決定于芯片的質量、PCB板的設計極其材料的選擇與質量、裝配質量、采取的靜電防護措施等，其他裝配材料的質量對其可靠性也有影響。藍色芯片的光衰也影響到LED器件的使用壽命，但經過試驗分析，這種光衰能滿足移動通信工具的使用壽命要求。下面分析影響藍、白光片式LED可靠性的因素及保證措施。

5.1 芯片

藍光片式LED采用GaN基藍色芯片，白光則采用藍芯通過加入YAG黃色熒光粉轉換顏色而成。由于目前LED藍色芯片絕大部分都是由三氧化二鋁（AL2O3）+GaN基制成的，硬度特別大，難解理，大片切割成芯片，其各邊側面一般都很粗糙，對裝配質量將造成一定影響，且易漏電同時由于藍芯材料及工藝特點，其電極形狀及光刻質量對產品的漏電、擊穿影響較大。因此，在選用藍色芯片時，選用側面切割相對光滑、電極刻蝕形狀好、電極間距離相對合理的芯片。為慎重起見，筆者所在公司選擇了在藍色芯片研發、制造方面處于領先地位的公司生產的多種型號的藍色芯片進行試驗。由于各廠商在MOCVD生長形成的P-N結及發光效率等差異，從對進料的近十個廠商的芯片檢驗和工藝驗證、試驗數據看，質量水平差別較大，如反向電流、正向壓降、波長、光強的一致性，芯片的抗靜電能力強弱不一等。通過多批次的驗證比較，筆者公司對藍芯供應商進行了優選確定，當然每批芯片還需經過嚴格的鏡檢和工藝驗證。

5.2 PCB板

由于片式LED結構的微型化，PCB板的制造精度、鍍層、表面質量對產品可靠性有至關重要的影響。有產品分析資料顯示，在生產過程中有些產品的失效是芯片裝配及焊線偏位所致，經分析即為PCB板精度問題。為了保證PCB板質量，筆者公司采用進口PCB板，并選取模具制作能力強的企業開模，同時對供應商提出了PCB板的質量要求：厚度均勻度<±0.05mm；鍍層光亮牢固，經金線鍵合后拉力大于8g等，此要求在PCB板進貨時即進行檢驗并上線試用。

5.3 其他裝配材料

除芯片、PCB板外，其他裝配材料如銀漿、金絲、膠餅、熒光粉也很重要。雖然說這些材料對器件的質量壽命、可靠性帶來的影響相對較小，但為了保證片式藍、白光LED的質量水平，筆者公司所使用的銀漿、金絲、膠餅、YAG熒光粉（555nm）等主要材料全部采用進口，且也是目前普遍認為質量能符合器件要求的。

5.4 裝配工藝

目前片式藍、白光LED器件普便采用全自動設備生產、檢測，因此對設備的正確使用、維護和生產時設備工作狀態控制非常重要。設備在引進安裝及使用前，需對相關人員進行操作維護培訓，并制定設備維護保養規定及責任制。經工藝技術人員多次摸索，各種型號片式LED產品生產時設備的操作要求已制定并形成了作業指導文件，操作人員按其操作，并記錄設備工作時的變化情況，及時分析調整，確保裝配的一致性及穩定可靠性。在片式藍、白光LED生產過程中，各主要工序均設置了檢驗點，關鍵工序設置了質量控制點，以及時發現裝配過程中的質量問題，及時分析處理，確保各工序質量受控。

5.5 靜電防護

GaN基藍色芯片因其正、負極均位于芯片上面，間距小，對于InGaN/ Al、GaN/GaN雙異質結，InGaN活動薄層僅幾十納米，靜電承受能力相對較弱，極易靜電擊穿，使器件失效。因而靜電防護不當將直接影響產品的可靠性。在片式藍、白光LED生產線采取了如下防靜電措施：①防靜電地面、臺墊、離子風扇、手腕、包裝袋、盒等；②設備接地；③制定防靜電管理規定，對防靜電設施進行檢測、使用等管理。

6 結語

移動通信用片式LED作為一種新型器件，具有體積小、散射角大、發光均勻性好、節能、環保、壽命長等特點。通過選擇優良的芯片、PCB板等材料，采取嚴格的裝配工藝、靜電防護等可靠性保證措施，其優良的光電性能和可靠性已得到證實。片式LED作為一種新型器件，不僅可用于移動通信，還可應用于各種電子產品，其市場前景十分廣闊。