GaN 基白光LED 正向電壓增大失效機(jī)理分析

曾友華

（廈門(mén)華聯(lián)電子股份有限公司，福建 廈門(mén) 361008）

0 引言

發(fā)光二極器（LED：light-emitting diode）顯示器是一種數(shù)字顯示和（或）功能顯示的器件，廣泛地應(yīng)用在空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱和電磁爐等家用電器和儀器儀表上顯示運(yùn)行狀態(tài)。隨著白光LED 技術(shù)的發(fā)展與成熟，白光LED 顯示器受到市場(chǎng)的青睞，市場(chǎng)占比越來(lái)越高。白光LED 顯示器有多種封裝方案。利用0603 和3014 等封裝規(guī)格的白光LED作為燈源的空封方案是最普遍的。作為產(chǎn)品基本構(gòu)成單元的白光LED，其質(zhì)量的好壞直接影響著白光LED 顯示器的可靠性，在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在高溫高濕工作環(huán)境下，常常發(fā)生因白光LED 在短時(shí)間內(nèi)就失效導(dǎo)致成品出現(xiàn)功能異常甚至完全失效的情況。使得LED 顯示器生產(chǎn)廠家及用戶遭受了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和品牌形象受損。

從LED 顯示器的可靠性角度考慮，為了防范因白光LED 質(zhì)量原因而造成LED 顯示器失效，在選型時(shí)，對(duì)白光LED 開(kāi)展可靠性試驗(yàn)評(píng)估至關(guān)重要。在開(kāi)展LED 顯示器用白光LED 選型工作時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)高溫高濕通電試驗(yàn)后，產(chǎn)品出現(xiàn)正向電壓增大現(xiàn)象。本文對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了研究，分析了導(dǎo)致白光LED 發(fā)生正向電壓增大的機(jī)理，并提出控制方案以減少此類現(xiàn)象的發(fā)生。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)燈源為某公司生產(chǎn)的0603 封裝的白光表面貼裝器件（SMD：Swrface Mounted Devices）LED，內(nèi)部的芯片為三安生產(chǎn)的S-12EBAUD-D，芯片材料為InGaN/Al2O3（藍(lán)寶石）。為了便于試驗(yàn)，用此燈源制作成空封結(jié)構(gòu)的LED 顯示器，在合格品中抽取6 只作為實(shí)驗(yàn)樣本，在實(shí)驗(yàn)前，采用測(cè)試儀測(cè)試每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品在20 mA/LED 下的正向電壓、初始發(fā)光強(qiáng)度和反向電壓5 V 下的漏電流，并按編號(hào)做好記錄，然后，在溫度（85±5）℃和濕度（85±3）%環(huán)境下，對(duì)產(chǎn)品的每個(gè)LED 通電10 mA，試驗(yàn)240 h。

試驗(yàn)完成后，樣品在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下恢復(fù)到常溫。采用測(cè)試儀測(cè)試實(shí)驗(yàn)樣品在20 mA/LED 下的正向電壓、發(fā)光強(qiáng)度和反向電壓5 V 下的漏電流。與試驗(yàn)前對(duì)比，顯示器的窗口的發(fā)光強(qiáng)度衰減在10.3%～16.7%之間，符合≤30%的標(biāo)準(zhǔn)要求，漏電流無(wú)明顯變化，均小于1 μA，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但部分LED 的正向電壓明顯增大異常，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在光學(xué)顯微鏡下觀察電壓異常樣品，發(fā)現(xiàn)熒光粉及封裝膠均未碳化，與正常樣品無(wú)明顯區(qū)別。為了作進(jìn)一步的分析，對(duì)SMD LED 樣品進(jìn)行解剖，去除密封膠和熒光粉，采用高倍光學(xué)顯微鏡對(duì)芯片表面進(jìn)行觀察，采用掃描電鏡（SEM）對(duì)芯片進(jìn)行微觀形貌觀察，能譜分析儀進(jìn)行樣品微區(qū)成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 芯片表面觀察

對(duì)SMD LED 異常樣品進(jìn)行解剖，去除封裝膠和熒光粉后，在高倍光學(xué)顯微鏡下觀察芯片表面。雖然在解剖過(guò)程中小心謹(jǐn)慎，但是，# 4-1 和# 4-2 芯片表面的P 電極還是在解剖過(guò)程脫落，并觀察到P 電極底部存在疑似燒傷的現(xiàn)象；# 1-1、# 2-1、# 6-3 和# 4-3 芯片表面的P 電極周?chē)嬖谝伤茻齻惓！Ｆ渲芯哂写硇缘? 1-1 芯片和#4-2 芯片的電子顯微鏡照片如圖1 所示。

2.2 微區(qū)形貌觀察

在掃描電鏡下觀察異常樣品芯片，異常樣品的芯片表面P 電極周?chē)糠謪^(qū)域粗糙，可見(jiàn)顆粒狀物質(zhì)；電極脫落的異常樣品的芯片表面P 電極脫落處部分區(qū)域呈現(xiàn)粗糙狀，可見(jiàn)顆粒狀物質(zhì)。# 1-1 芯片和# 4-2 芯片的SEM 圖像如圖2 所示。脫落的P 電極底部黏附有顆粒狀物質(zhì)，其他未見(jiàn)明顯異常，# 4-2 芯片脫落的P 電極底部如圖3 所示。BT 板上的焊盤(pán)也無(wú)明顯異常，# 4-2 樣品裝配芯片的焊盤(pán)的SEM 圖像如圖4 所示。

圖2 LED 芯片的SEM 照片

圖3 脫落P 電極底部的SEM 照片

圖4 焊盤(pán)的SEM 照片

2.3 微區(qū)成分分析

從LED 芯片制造商和LED 封裝廠獲知，實(shí)驗(yàn)所用樣品芯片電極為Cr/Al/Ti/Pt/Ti/Pt/Au 多層金屬電極結(jié)構(gòu)，其中金屬Cr 為多層金屬電極結(jié)構(gòu)的第一層在電極的底部，與芯片表面的GaN 接觸，具有較強(qiáng)粘附性；反射率高的Al 為第二層，作為反射鏡，把LED 射到電極上的光線再反射回去以減弱電極的吸光效應(yīng)，增加光提取效率[1]。透明導(dǎo)電薄膜的主要成分是氧化銦（In2O3）。鈍化層的主要成分是二氧化硅（SiO2）。芯片的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。焊線為金線，所用BT 板為鍍銀板。封裝膠為環(huán)氧樹(shù)脂，熒光粉為YAG 稀土釔鋁石榴石型熒光粉。

圖5 芯片結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)異常樣品進(jìn)行EDS 檢測(cè)分析，能譜分析圖如圖6～9 所示。能譜分析圖中均出現(xiàn)了C 和O 元素譜線，但因受吸附在樣品表面的空氣中的油脂等污染物和EDS 儀器某些部件鍍碳等因素的影響，出現(xiàn)的C、O 元素不一定是被檢測(cè)物的構(gòu)成元素，是否是被檢測(cè)物本身含有的元素需做具體分析。能譜分析圖6 中顯示在芯片表面P 電極附近的燒傷位置檢測(cè)到N、Ga、O、Si 和In 等元素，與芯片的外延層P-GaN、鈍化層和透明導(dǎo)電薄膜層的成分信息相同；從能譜分析圖6 中可見(jiàn)在P 電極附近的燒傷位置本來(lái)應(yīng)該不存在的Au、Al 和Cr 等金屬元素譜線；在P 電極附近的燒傷位置還檢測(cè)到Cl 元素，此元素不是芯片的構(gòu)成元素，應(yīng)為異常元素；在P 電極脫落的位置檢測(cè)到Au 和Al 元素。從能譜分析圖7～9 可知，脫落P 電極底部、金屬引線和焊盤(pán)均正常，沒(méi)有檢測(cè)到異常元素。電極的組成材料由圖6～7 給出的EDS 的成分分析結(jié)果可以得到印證。

圖6 LED 芯片P 電極區(qū)域和附近EDS 分析

圖7 脫落的P 電極底部EDS 分析

圖8 打線EDS 分析

圖9 支架EDS 分析

2.4 失效機(jī)制分析

電遷移是一種在電場(chǎng)和溫度作用下的物質(zhì)傳輸現(xiàn)象[2-5]。對(duì)于工作在高溫高濕環(huán)境下的LED 顯示器，其封裝為空封，而所用0603 燈珠也是濕度敏感器件，為非氣密性SMD 封裝，無(wú)法將水汽完全隔絕，水汽進(jìn)入電極層，而電極層中鋁和鉻為較活潑的元素，容易電解成金屬離子，在電場(chǎng)和溫度作用下，更容易發(fā)生電遷移現(xiàn)象。在正電場(chǎng)的作用下，鋁和鉻等易電遷移的金屬離子隨著電場(chǎng)先遷移，向芯片的表面游離，導(dǎo)致出現(xiàn)金屬孔洞現(xiàn)象和金屬顆粒堆積現(xiàn)象[5]，使局部電阻增大，溫度升高，進(jìn)而引發(fā)金等相對(duì)電遷移性差一些的金屬的電遷移。正如能譜分析圖6 和圖2 中的SEM 圖像所示，P 電極脫落處和P 電極附近檢測(cè)到金屬元素，觀察到顆粒狀物質(zhì)。由于P 電極中金屬的電遷移，破壞P 電極與外延層的歐姆接觸，電阻增大，造成正向電壓升高現(xiàn)象。由于局部電阻增大，從而局部發(fā)熱嚴(yán)重，容易發(fā)生燒傷現(xiàn)象，正如圖1 所示。

電極層中含鋁，鋁是一種活性較高的金屬，既能溶于酸又能溶于堿。純鋁在pH=4～9 的水溶液中，與溶液中的氧有強(qiáng)烈的親合力，生產(chǎn)保護(hù)性較高的水合氧化鋁膜（Al（OH）2），抑制鋁的腐蝕。但是當(dāng)溶液中存在侵蝕性離子如Cl－、Br－和F－等陰離子時(shí)，陰離子能在氧化鋁膜較薄或內(nèi)部缺陷處發(fā)生點(diǎn)蝕，造成氧化鋁膜破壞，使鋁金屬層活化，最終導(dǎo)致鋁的腐蝕[6-7]。從能譜分析圖6 可見(jiàn)，電極附近存在氯（Cl）的滲入。電遷移此處的鋁在水和氯化物環(huán)境中，容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，形成麻點(diǎn)，生成Al（OH）Cl2型堿式氯化物鹽腐蝕產(chǎn)物[6-8]，其化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如下：

Al 表面快速電離生成Al3+，式（1）～（2）總反應(yīng)為：

氯離子對(duì)鋁不斷電化學(xué)侵蝕，形成無(wú)數(shù)個(gè)腐蝕微電池，生成Al（OH）2Cl：

由于在試驗(yàn)中，對(duì)LED 施加的是正向電壓，芯片P 電極處于正電場(chǎng)，N 電極處于負(fù)電場(chǎng)中，在電場(chǎng)的作用下，氯離子向P 電極附近集中，因此，P 電極附近的鋁容易出現(xiàn)被腐蝕現(xiàn)象。正如我們看到的一樣，芯片表面P 電極附近部分區(qū)域呈現(xiàn)粗糙狀，而N 電極處及附近未見(jiàn)明顯的異常。這點(diǎn)在我們安排的另外一項(xiàng)反向電壓試驗(yàn)中LED 出現(xiàn)N 電極附近被腐蝕，P 電極處及附近未見(jiàn)明顯異常可以得到印證。如圖10 所示。由于LED 芯片的P電極附近被腐蝕，也會(huì)導(dǎo)致P 電極與LED 芯片的外延層之間的電流通道上的電阻增加，即表現(xiàn)為L(zhǎng)ED 的正向電壓增大異常。如果增加試驗(yàn)時(shí)間，隨著Cl 的進(jìn)一步滲入，電極處也將會(huì)出現(xiàn)被腐蝕的現(xiàn)象，出現(xiàn)電極脫落而開(kāi)路不良。

圖10 不良品SEM 圖像

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)白光LED 顯示器在高溫高濕通電240 h試驗(yàn)后出現(xiàn)正向電壓增大異常的原因進(jìn)行了探索。對(duì)產(chǎn)品使用的GaN 基白光LED 進(jìn)行了解剖，用SEM 對(duì)微區(qū)進(jìn)行形貌表征后發(fā)現(xiàn)，退化樣品芯片表面P 電極脫落處和P 電極附近有顆粒狀物質(zhì)生成，并且部分區(qū)域存在燒傷異常；利用EDS 對(duì)P電極脫落處和P 電極附近進(jìn)行成分分析后發(fā)現(xiàn)，在P 電極處生成的顆粒為Al、Cr 和Au 等金屬顆粒，在P 電極附近燒傷位置存在異常元素氯。分析認(rèn)為，LED 正向電壓增大的主要原因是：P 電極中的Al、Cr 和Au 等金屬發(fā)生了電遷移以及電遷移至P 電極附近的鋁發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致P 電極與LED 芯片的外延層之間的電流通道上的電阻增加，表現(xiàn)為L(zhǎng)ED 的正向電壓增大。

因此，在為L(zhǎng)ED 顯示器選型GaN 基白光LED燈源時(shí)，建議做以下工作：

a）要求LED 封裝廠提供封裝材料的環(huán)保報(bào)告，或提交封裝材料的無(wú)氯等腐蝕性元素的認(rèn)證報(bào)告，確保使用的封裝材料不含有超標(biāo)的氯等腐蝕性元素；

b）通過(guò)高溫高濕通電試驗(yàn)驗(yàn)證燈源的封裝氣密性。