一文搞懂LED芯片失效和封装失效的原因分析

LED芯片核心构架是半导体晶片，由P型半导体和N型半导体，P型半导体在晶片空穴占主导地位，当P型半导体和N型半导体连接起来时，将形成一个P-N结。当电流通过导线作用在半导体晶片时，电子将被推向P区，在P区里电子和空穴符合，以光子形式发出能量，这也是LED芯片发光的工作原理，光的波长也是光的颜色，将由P-N结的材料所决定的。LED芯片主要材料为单晶硅，作为LED光源最核心的部件，其质量决定着产品的性能及可靠性。任何不当使用都可能会损伤芯片，使得芯片在使用过程中出现失效。对于应用工程师,芯片失效分析是最棘手的问题之一。下面主要对LED芯片失效进行简要分析，供大家参考。 

LED芯片特点：

1.是四元西，采用MOVPE工艺制备

2.信赖性好

3.应用广泛

4.安全性高

5.使用寿命长

主要分类为：

1.MB芯片：金属粘着芯片，属于UEC的专利产品

2.GB芯片：粘着结合芯片，数据UEC的专利产品

3.TS芯片：透明衬底芯片，属于HP的专利产品

4.AS芯片：吸收衬底芯片

LED芯片结构为倒装结构和垂直结构

LED芯片重要参数为：

lf：正向工作电流

VF：正向工作电压

V-I特性：发光二级体的电压与电流关系

IV：发光强度

-90°- +90°：LED芯片的发光角度

Δλ：光谱半宽度

IFm：最大正向直流电流

VRm：最大反向电压

Pm：允许功耗

LED光源已出现在传统照明等领域，但LED光源尚存在很多没有解决的问题。其中包括一致性较差、成本较高和可靠性差等，其中最主要的问题就是稳定性和可靠性问题。虽然目前预测LED光源的寿命超过5万小时。但这个寿命指的是理论寿命，光源在25℃下的使用寿命。在实际使用过程中，会遇到高温、高湿等恶劣环境，放大LED光源缺陷，加速材料老化，使LED光源快速失效。

失效模式的物理机理

LED灯珠是一个由多个模块组成的系统。每个组成部分的失效都会引起LED灯珠失效。 从发光芯片到LED灯珠，失效模式有将近三十种，如表1，LED灯珠的失效模式表所示。这里将LED从组成结构上分为芯片和外部封装两部分。 那么， LED失效的模式和物理机制也分为芯片失效和封装失效两种来进行讨论。

表1 LED灯珠失效模式

一、引起LED芯片失效的因素主要包括：静电、电流和温度。

静电放电可释放瞬间超高电压，给LED芯片带来很大的危害，ESD导致的LED芯片失效分为软失效和硬失效两种模式。由静电带来的高电压/电流导致LED芯片短路成为硬失效模式。

LED芯片短路的原因是过高的电压使电解质破裂，或者过高的电流密度是芯片中产生电流通路。

静电释放稍微低一些的电压/电流会导致LED芯片的软失效。软失效通常伴随着芯片反向漏电流的减小，这可能是由于高反向电流使一部分漏电流的路径消失引起的。

相比于垂直LED芯片，静电对水平LED芯片的危害较大。因为水平LED芯片的电极在芯片同一侧，静电产生的瞬间高电压更容易使芯片上的电极短路，从而引起LED芯片失效。

大电流也会带来LED芯片的失效：一方面大电流会带来比较高的结温；另一方面，具有高动力能的电子进入了PN结会使Mg-H键和Ga-N键断裂。

Mg-H键的断裂会进一步激活p层的载流子，使LED芯片在老化开始时有一个光功率上升阶段，而Ga-N键的断裂会形成氮空位。

氮空位增加了非辐射复合的可能性，从而解释了器件的光功率的衰减。氮空位的形成要达到平衡时一个很漫长的过程，这是LED芯片缓慢老化的主要原因。

同时，大电流会带来LED芯片内部的电流拥挤，LED芯片内的缺陷密度越大，电流拥挤的现象越严重。

过大的电流密度会引起金属的电迁移现象，使得LED芯片失效。另外InGaN发光二极管在电流和温度双重作用下，在有效掺杂的p层中还会出现很不稳定的Mg-H2复合物。

温度对LED芯片的影响主要是使内量子效率降低和LED芯片寿命变短。

这是因为内量子效率是温度函数，温度越高内量子效率越低，同时，温度对材料的老化作用会使欧姆接触和LED芯片内部材料的性能变差。

另外，高的结温使得芯片内温度分布不均匀，产生应变，从而降低内量子效率和芯片的可靠性。热应力大到一定程度，还可能造成LED芯片破裂。

二、引起LED封装失效的因素主要包括：温度、湿度和电压。

目前，研究的最为深入和广泛的是温度对LED封装可靠性的影响。温度使LED模块及系统失效的原因在于以下几个方面：

（1）高温会使封装材料降解加快、性能下降；

（2）结温对LED的性能会产生很大的影响。过高的结温会使荧光粉层烧黑碳化，使得LED光效急剧降低或造成灾难性失效。

另外，由于硅胶和荧光粉颗粒之间的折射率和热膨胀系数不匹配，过高的温度会使荧光粉的转换效率下降，并且掺的荧光粉比例越高，光效下降的越厉害；

（3）由于封装材料之间热传导系数的不匹配，温度梯度和温度分布的不均匀，材料内部可能产生裂纹或者在材料之间界面产生脱层。

这些裂纹及脱层都会引起光效下降，芯片、荧光粉层之间的脱层可使取光效率下降，荧光粉层与灌封硅胶之间的脱层最高可使取光效率下降20%以上。

硅胶与基板之间的脱层甚至有可能导致金线断裂，造成灾难性失效。

通过有关高湿环境实验研究发现，湿气的侵入不但使得LED光效下降，而且有可能导致LED的灾难性失效。

通过85℃/ 85%RH高温高湿可靠性加速实验研究发现，湿气在分层缺陷的形成中起着重要的作用，分层现象的产生使得LED的光效下降，不同芯片表面粗糙不同导致了不同的失效模式。

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