關于RGB芯片解離失效探討

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.010

摘? 要：隨著LED RGB戶外亮化工程的發展，戶外顯屏應用不斷擴大。城市夜景變得更加璀璨多姿，也成為各城市宣傳名片。大量RGB戶外應用增添了城市色彩的同時，潛藏的問題也陸續暴發。終端應用在使用半年或1年后，發生個別LED燈珠不亮，影響整體視覺效果。暗燈是最常見失效模式，其中芯片受損是導致暗燈的主要因素。文章主要論述芯片失效產生的原理和檢測方法，及如何提升芯片抗濕特性。

關鍵詞：RGB;解離;水汽;Passivation;暗燈

中圖分類號：TN312? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）09-0035-04

Discussion on Dissociation Failure of RGB Chip

XIE Bingzhang

（Episky Corporation（Xiamen）Ltd.，Xiamen? 361101，China）

Abstract：With the development of LED RGB outdoor lighting project，the application of outdoor display screen is expanding. The night view of the city has become more dazzling and colorful，and it has also become the business card of various cities. While a large number of RGB outdoor applications add to the citys colors，hidden problems are also emerging one after another. The terminal application has been used for more than half a year or more than a year，and individual LED lamp beads do not light up，which affects the overall visual effect. Dim light is the most common failure mode，in which chip damage is the main factor leading to dim light. This paper mainly discusses the principle and detection method of chip failure，and how to improve the chips anti-humidity characteristics.

Keywords：RGB;dissociation;moisture;Passivation;dim light

0? 引? 言

隨著城市化不斷推進，現如今各城市都十分重視城市夜景亮化，比如廣場夜景，建筑夜景，園林夜景，道路橋梁亮化，戶外廣告等。大量LED RGB應用的增加，使用出現的問題也就更突出了。其最常見的就是單一封裝體不亮，導致大屏幕顯示壞點;戶外燈條個別點不亮，影響整效果。如何提升產品使用壽命，LED芯片失效所因為何，如何提高產品抗濕特性是當下RGB戶外應用面臨的難題。

1? RGB芯片失效分析

失效樣本，需先剝離封裝膠及環氧樹脂。常用剝離方法有機械研磨，化學藥水溶解兩種。為最大限度保護芯片本身，一般會先使用機械研磨一定厚度，觀察芯片外觀狀況，再進行下一步溶解取出芯片。最后再對芯片外觀，光電特性進行分析。

1.1? 芯片封裝影響

一般封裝后芯片跟外界是完全隔離的，只能通過導線跟電源聯通。那么芯片失效如果不是因焊線脫落，就是外界物質侵入導致反應破壞^[1]。異常封裝體用紅藥水長時間浸泡后看封裝體外觀，也可以加壓方式來縮短驗證時間。RGB封裝體如圖1所示，在常壓下浸泡紅藥水20 h后外觀，可以很明顯看到紅藥水已滲入到封裝體內。氣密性不佳，導致水汽侵入是封裝體常見失效模式。

圖1? 封裝體外觀圖

封裝材料中不管采用何種生產工藝，在環氧的生產過程中由于環氧氯丙烷的參與會引入氯元素，均會產生鹽和水。后期雖然采用水洗法、溶劑萃取法或者溶劑法進行后處理，但膠體中容易有氯殘留。各種副反應以及水洗不完全而殘留的氯，可能會以氯離子或有機氯形式存在。這些殘留有機或者無機氯在燈珠的高溫密閉環境中會發生分解或揮發，形成活性氯，對支架鍍銀層、合金線、芯片電極（鋁反射層）或其他活潑金屬造成氯化腐蝕。雙酚A型環氧樹脂^[2]的反應方程式如圖2所示。

1.2? 芯片失效原理

LED驅動需要正偏電壓，另外因電源切換還有一定逆偏電壓存在，而有偏壓就存在電場，水汽在電場的作用下會解離H⁺、OH^-離子，另外因為工藝流程人員手汗，口沫污染等導致其封裝體內帶有氯離子。這些都為芯片發生電化學反應提供了條件，根據反應條件我們把失效分為兩大類。

1.2.1? 普通水汽解離失效

RGB LED中藍綠LED主要材料為氮化鎵，紅光LED主要材料是磷化稼（含微量Al、In）。在純水環境中，Au氧化還原電位較高，不易產生Au離子遷移現象。P、N電極（PAD）氧化還原電壓差為1.68 V，模型如圖3所示。

氮化鎵在有水汽（moisture）的電場環境下，會發生2GaN+6h⁺+6OH^-→Ga₂O₃+3H₂O+N₂導致氮化鎵發光層破壞^[3]。另外目前LED廣泛使用ITO作為透明導電膜材料，在水汽電場下，ITO膜在陽極和陰極極化時的電化學腐蝕行為，ITO中的In氧化物發生氧化還原，變成金屬。模擬ITO還原機制，發現ITO氧化還原后變成顆粒狀態，對應顆粒狀元素分析，發現其失去了O^[4]。

1.2.2? 水汽&鹵素元素解離失效

RGB LED電極結構含有活性強Al，活性差的Cr、Au等。鹵素元素影響中最常見的就是來自氯（主要來源于人的口沫、手汗等）的影響。當濕氣環境中含有鹵素存在，會造成Au氧化還原電位降低，P、N電極電位差降為0.93 V;Au ions（金離子）就開始產生，容易發生Au migration的電化學反應。其失效模型如圖4所示。

在濕氣環境下，有流動金屬離子存在（Au→Au²⁺+2e^-），高電位差這些導致了ECM（電化學遷移）現象。ECM的特征是金屬離子在相鄰金屬導體之間移動，從而形成樹枝狀晶體，如圖5所示。

金屬離子是由高電位向低電位遷移，當逆偏電壓為主要影響時，N電極上Au離子，遷移到P電極，并逐漸解離向N方向生產，類似樹枝狀。直到P、N串起來失去電位差，ECM就停止發生。反之當正偏電壓為主要影響時，P電極Au離子向N電極移動，如圖6所示。

除了Au會存在解離外，當芯片表面保護層被破壞，電極中的Cr、Al也會存在解離現象。比如PAD反射層被氯破壞（2Al+6HCl→2AlCl₃+3H₂;AlCl₃+3H₂O→Al（OH）₃+ 3HCl）。

2? 常用失效檢驗方法

判斷產品的抗濕性能和氣密性水平，常見的方法有鹽霧測試、人工汗液浸泡、高溫高濕燒測、紅藥水浸泡等等。下文主要介紹鹽霧測試、高溫高濕測試、針刺浸泡測試三種檢驗方法。

2.1? 鹽霧測試

測試對象可以是封裝體，PCB板上芯片（蓋上硅膠或是環氧樹脂）。測試溫度30 ℃～50 ℃;鹽水濃度：5%±1%鹽，95%純水;pH酸堿度6.4～7.3間;噴霧量ml/80 cm2/h，差不多每小時1 ml～2 ml^[5]。目前判定方法就是看48 h后前后VF衰減比例。此檢驗方法可以有效檢驗封裝氣密性，同時也可以檢驗芯片抗濕能力水準。此方式對儀器控制較嚴苛，一般由專業分析廠商測試。委外測試費用較高，時程也較長，歐美大廠較多使用此來判定產品水準。國內廠商目前使用還相對較少。

2.2? 高溫高濕測試

烤箱溫度控制50 ℃～80 ℃，濕度55%～85%，LED芯片固定于PCB板上，可以分蓋膠和更嚴苛的不蓋膠。驅動電壓-5 V～-10 V也可以用正偏壓。燒測96 h，168 h或是更久，看VF、IV衰減比例，>±5%，基本會判定NG。當然也可以用加濕器內的水改用加一定比例鹽水，檢驗條件更嚴苛。當然對于烤箱本身隔離效果跟配件保護要求更高。

2.3? 針刺浸泡測試

這個主要是對芯片本身抗濕性能測試，用探針分別接通P，N電極。用電源提供正或逆偏壓（-3.5 V～-6 V），限定電流（15 μA～35 μA）;芯片浸泡純水，或鹽水（0.1%～5%）。在指定時間內其前后VF衰減比例<2%。此方法相較簡單，可以有效避免因焊線工藝偏差導致芯片電極保護失效。如圖7純水汽破壞外觀，如圖8水汽加鹵素破壞外觀。

3? 提升RGB芯片抗濕性能解決方案

3.1? 封裝過程改善方案

封裝制程主要分固晶、焊線、蓋膠、切割、分選、包裝入庫。封裝材料中固晶膠，封裝膠等材料導入前需確認材料成分是否含有超標氯元素。支架在使用前建議進行氬離子或使用有機溶劑以超聲波清洗。蓋膠前作業人員佩戴手套，口罩，發帽;盡可能不直接碰觸產品。蓋膠過程中Particle環境控制蓋膠前氬離子處理，以及監控離子清潔能力^[6]是管控封裝過程中芯片污染的關鍵點。蓋膠過程中溫差控制（封裝膠&支架芯片），避免后續芯片點亮后因溫度上升，兩種材料膨脹超限導致氣密性不足^[7]。支架切割過程中刀片的冷卻，切割用水建議使用RO或DI水，自來水中含有大量氯元素，殘留于分裝體就有可能導致后續產品使用壽命下降。

3.2? 芯片制程改善方案

RGB芯片大部分終端應用驅動電流不大10 mA以下，亮度要求不高，對應芯片制程并不復雜。芯片制程主要為Mesa;CB;ITO;BP;PV3～5道制程。失效常表現于發光區受損，P，N電極串聯，電極解離Peeling等。

3.2.1? 保護膜層

SiO2因其可見光穿透率高，藍綠芯片基本都用SiO₂;SiO₂使用PECVD沉積，較PVD鍍膜成膜均勻性更高，致密性也更佳，鍍膜堆疊也好于物理鍍膜。從失效樣本分析中發現存在SiO₂受損，安排不同膜厚同一測試條件下，膜厚越厚其抗濕性能越好。采用ALD沉積SiO₂，利用其良好的step coverage，膜致密性，同膜厚下也表現出更優的抗濕性能^[8]。另外氮化硅，Al₂O₃也有較好抗濕性能，但因其穿透率不如SiO₂，影響出光效率，除非倒裝芯片外，其他應用偏少。

3.2.2? 電極結構

電極是連接芯片與外部電源的橋梁。電極材料涉及Au、Ti、Al、Cr等，其中Al是活性金屬，容易被反應。在電極制程中常選擇惰性強的金屬來保護Al，利用鍍膜溫度差異，光刻膠伸張特性，讓后續鍍膜材料保護前一層。當然也可以使用二次鍍膜，利用光罩設計尺寸差異達到完全保護作用。對應生產成本會明顯增加。電極結構活性金屬層越少，其抵抗受外界攻擊能力也越強，對應也會犧牲芯片性能。改善鈍化層與電極中Au附著，也能夠很好保護電極。但因封裝焊線焊點偏差，機臺穩定性差異，電極上保護層易被破壞。電極跟焊球直接差異越大被破壞比例越低，近三年失效樣本統計發現，電極跟焊球直徑差異<10 μm，電極保護層被破壞比例>60%。

3.2.3? 芯片設計

目前藍綠芯片都是采用P、N同平面的水平結構;紅光芯片多為P、N上下的垂直結構。單純考慮芯片失效影響，正、逆偏壓均會影響藍綠芯片;紅光芯片因其中一個電極埋于固晶膠內，不受逆偏壓影響。根據Au migration原理，P、N極最終會串聯失效。因藍綠芯片都是水平結構，所以需將N-氮化鎵蝕刻出來。除了P、N電極裸露無法避免，N-氮化鎵走道也需保護起來，N-氮化鎵蝕刻到襯底用鈍化層保護起來如圖9所示（PV：鈍化保護層）。

目前提升芯片抗濕能力，也只能延緩芯片本身失效時間，無法徹底解決Au migration問題。

4? 結? 論

綜上，目前RGB芯片解離失效根源是其發生電化學反應。要避免解離發生，芯片端可以由傳統垂直結構改為倒裝結構，電極由Au材料改為不會發生電化學反應材質（Ti、W等），新材料應用最大挑戰就是封裝如何焊線。封裝端尋找新的、具低膨脹系數、高氣密性和高化學穩定性的材料取代現有環氧樹脂，進一步提升封裝氣密性。只有突破上述兩個問題的其中一個，芯片解離問題才有機會徹底改善。

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作者簡介：謝冰璋（1982—），男，漢族，福建龍巖人，中級工程師，本科，研究方向：LED芯片制程改善與產品性能提升。

收稿日期：2021-04-02