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文档简介
1、发光二极管失效分析1引言和半导体器件一样,发光二极管(LED)早期失效原因分析是可靠性工作的重要部分,是提高LED可靠性的积极主 动的方法LED失效分析步骤必须遵循先进行非破坏性、可逆、可重复的试验,再做半破坏性、不可重复的试验,最 后进行破坏性试验的原则。采用合适的分析方法,最大限度地防止把被分析器件(DUA)的真正失效因素、迹象丢失 或引入新的失效因素,以期得到客观的分析结论。针对LED所具有的光电性能、树脂实心及透明封装等特点,在LE D早期失效分析过程中,已总结出一套行之有效的失效分析新方法。2 LED失效分析方法2.1减薄树脂光学透视法在LED失效非破坏性分析技术中,目视检验是使用最
2、方便、所需资源最少的方法,具有适当检验技能的人员无论在任 何地方均能实施,所以它是最广泛地用于进行非破坏检验失效LED的方法。除外观缺陷外,还可以透过封装树脂观察 内部情况,对于高聚光效果的封装,由于器件本身光学聚光效果的影响,往往看不清楚,因此在保持电性能未受破坏的 条件下,可去除聚光部分,并减薄封装树脂,再进行抛光,这样在显微镜下就很容易观察LED芯片和封装工艺的质量。 诸如树脂中是否存在气泡或杂质;固晶和键合位置是否准确无误;支架、芯片、树脂是否发生色变以及芯片破裂等失效 现象,都可以清楚地观察到了。2.2半腐蚀解剖法对于LED单灯,其两根引脚是靠树脂固定的,解剖时,如果将器件整体浸入酸
3、液中,强酸腐蚀祛除树脂后,芯片和支 架引脚等就完全裸露出来,引脚失去树脂的固定,芯片与引脚的连接受到破坏,这样的解剖方法,只能分析DUA的芯 片问题,而难于分析DUA引线连接方面的缺陷。因此我们采用半腐蚀解剖法,只将LED DUA单灯顶部浸入酸液 中,并精确控制腐蚀深度,去除LED DUA单灯顶部的树脂,保留底部树脂,使芯片和支架引脚等完全裸露出来, 完好保持引线连接情况,以便对DUA全面分析。图1所示为半腐蚀解剖前后的q 5LED,可方便进行通电测试、观 察和分析等试验。在LED-DUA缺陷分析过程中,经常遇到器件初测参数异常,而解剖后取得的芯片进行探针点测,芯片参数又恢复正 常,这时很难判
4、断异常现象是由于封装键合不良导致,还是封装树脂应力过大所造成。采用半腐蚀解剖,保留底部树脂, 祛除了封装树脂应力的影响,又保持DUA内部引线连接,这样就很容易确认造成失效的因素。2.3金相学分析法金相学分析法是源于冶金工业的分析和生产控制手段,其实质是制备供分析样品观察用的典型截面,它可以获得用其他 分析方法所不能得到的有关结构和界面特征方面的现象1 LED的截面分析,是对LED-DUA失效分析的“最 后手段”,此后一般无法再进行其他评估分析。它也是一种LED解剖分析法,为了分析微小样品,在一般试验中,需要对分析样品进行树脂灌封,最后在细毛织物上用0.05p m的氧化 铝膏剂抛光。图2为q 5
5、白光LED侧向典型截面,可清楚地看到其结构情况。2范白光LED侧向典-型fSiflj需要注意的是GaN基LED中的蓝宝石衬底异常坚硬,由于目前尚未有较好的研磨方法,因此对这类的DUA还难以 对芯片进行截面分析。2.4析因试验分析法析因试验是根据已知的结果,去寻找产生结果的原因而进行的分析试验2。通过试验,分清是主要影响还是次要影 响的因素,可以明确进一步分析试验的方向。析因试验分析是一种半破坏性试验LEDDUA解剖分析对操作过程要 求较高,稍不留神即可能造成被分析器件的灭失。分析过程中,经常先采用析因试验分析法,分析工程师根据复测结果 和外观检查情况,综合相应理论知识和以往积累的分析经验,估计
6、器件失效原因,并提出针对性试验和方法进行验证。 一般可采用相应的物理措施和试验冷热冲击试验、重力冲击试验、高温或低温试验和振动试验等。例如库存9 5透明红光LED单灯,出货检验时出现个别LED间歇开路失效现象,而两次检测只经过搬动运输,故先对DUA采用 重力冲击试验,出现试验后开路失效,减薄树脂后看到芯片与银浆错位,是造成间歇开路失效的原因。2.5变电流观察法作为光电器件的LED,与一般半导体器件相比,其失效分析除检测DUA的电参数外,还必须关注光参数方面的变化。 除了通过专业测试仪检测外,还可直接通过眼睛或借助显微镜观察DUA的出光变化情况,经常可以得到预想不到的收 获。如果DUA按额定电流
7、通电,观察时可能因出光太强而无法看清,而通过改变电流大小,可清晰地观察到其出光情 况。例如GaN基蓝光LED正向电压Vf大幅升高的现象,在小电流下,有些可以观察到因电流扩展不良而造成芯片 只有局部发光的现象,显然为电极与外延层间接触不牢靠,在封装应力的作用下,接触电阻变大所造成的失效。图3为 经减薄处理后9 5LED所观察到的芯片小电流扩展不良现象。浏3 LXO芯片电流扩履不皮现象2 . 6试验反证法LED失效分析过程中,经常受到分析仪器设备和手段的限制,不能直观地证明失效原因, 高素质的分析工程师,经常通过某些分析试验,采取排除的办法,推论反证失效原因。例 如DUA为8X8红光LED点阵,半
8、成品初测合格,灌胶后出现单点LED反向漏电流 特大,受仪器设备限制,只有直流电源和LED光电参数测试仪,不能做解剖或透视分析, 测试中发现DUA正向光电参数无异常,而反向漏电流大,故采用反向偏置并加大电流全 数十毫安后,再测正向光电参数,前后结果无明显变化,说明反向偏置中的数十毫安并非 从该LED芯片通过,由此推定并非LED芯片造成漏电。3案例分析3.1结温过高造成1W白光LED严重光衰失效现象:特殊照明用1W白光LED连续通电两周后严重光衰。解析过程:进行光电参数测试,除光通量严重下降外,其他电参数未见异常,同时发现使用环境散热差,使用中器件外 壳温度很高。初步认为芯片结温过高造成严重光衰。
9、根据阿仑尼斯模型给出计算不同结温的期望工作寿命和激活能的公 式P = POexp(p t)P =P OIfexp( Ea/kTj)式中:PO为初始光通量;P为加温加电后的光通量;p为某一温度下的衰减系数;t为某一温度下的加电工作时间; p O为常数;Ea为激活能;k为波耳兹曼常数(8 6 2 X 1 O 5eV);If为工作电流;Tj为结温;而 Tj=Tc+VfIfRjc式中:Tc为DUA的外壳温度;Vf为正向电压;Rjc为芯片结到壳的热阻】3。可见LED光通量的衰减快慢为系数P所决定,衰减系数P的大小又取决于结温Tj的高低,而降低结温Tj是通过降 低外壳温度Tc和结到壳的热阻Rjc来实现的。
10、据此,我们采用析因试验分析法,对DUA采取临时应急降温措施, 光衰得到明显改善,即确定温度过高是造成光衰的主要因素。为了彻底解决问题,我们检查和改善器件热通道上的各环 节,通过X光透视检查芯片的倒装质量未见异常(图4),排除芯片缺陷造成热阻Rjc过大的可能;改用共晶焊键 合降低热阻Rjc,加大散热器尺寸降低外壳温度Tc,并在应用中增加通风设计,达到降低芯片结温丁的目的, 最终使光衰问题得到解决。3.2 ESD损伤致LED反向漏电流大失效现象:(P 5透明蓝光GaN-LED单灯反向漏电流大。解析过程:进行光电参数测试,该LED器件反向漏电流大,在5V的反向电压下,漏电流为5O2OOp A,先用
11、减薄树脂光学透视法,在立体显微镜下观察封装情况,打线键合及固晶等均未发现异常;由于蓝光GaNLED为静电 敏感器件,初步判定反向漏电流大是静电放电(ESD )损伤所致;再用半腐蚀解剖法解剖DUA,在高倍显微镜下,可清楚看到芯片静电放电损伤的击穿点,详见图5,初期判断得到印证。3.3内气泡致LED单灯开路失效现象:9 5透明蓝光GaN-LED单灯使用中先闪烁后熄灭。解析过程:通电进行参数测试,DUA呈开路状态,采用减薄树脂光学透视法分析,在立体显微镜下观察封装情况,发 现支架杯中芯片n电极边上有一气泡,其他部分未发现异常(图6),由于芯片出现开路的可能性极低,所以判断应为 引线开路。解剖器件,发
12、现n极金线焊球脱离芯片电极造成开路,因而使器件熄灭,判断得到印证。图6器件内部气泡造成开胳3.4二焊开路造成LED死灯失效现象:e 5透明蓝光GaN LED单灯使用中熄灭。解析过程:通电进行参数测试,DUA呈开路状态,先用减薄树脂光学透视法,在立体显微镜下观察封装情况,除p电 极金丝二焊点外,其他部分未发现异常;P电极二焊点金丝线体和焊接面厚度变化较为剧烈,过度不够平滑。采用减薄 树脂光学透视法,仍然无法看清开路点。再用半腐蚀解剖法,解剖后可明显看到P电极金丝二焊点断开(图7),造成 器件熄灭,判断得到印证。陋7二焊点断裂开路4注意事项4.1静电防护GaN基LED是静电敏感器件,容易因静电放电
13、损伤,引起短路或漏电流大,反向呈软击穿特损伤,引起短路或漏电 流大,反向呈软击穿特性。失效模式分为两种:一为突发性失效,表现为pn结短路,LED不再发光;一为潜在性缓 慢失效,例如带电体静电势或存贮的能量较低,一次ESD不足以引起发生突然失效,表现为漏电流加大、反向呈软击 穿特性,甚至亮度大幅度下降、光色(主波长)出现变化等。它会在芯片内部造成一些损伤,这种损伤是积累性的,随 着ESD次数的增多,LED的光电参数逐渐劣化,最后完全失效4。因此,在整个分析过程中,必须始终做好静 电防护工作,防止静电损伤DUA,否则可能导致完全错误的失效分析结论。4.2焊接散热保护因分析或测试等需要对DUA进行烙铁加热焊接的,焊接前须评估烙铁加热过程对DUA造成的损坏和改变的可能性。 如果需要焊接的,应对引脚
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