LED芯片失效原因分析及改善对策
摘要
关键词
LED、失效、折弯内角、气密性、反压性能
正文
1 引言
随着LED应用越来越广泛，尤其LED显示屏已广泛应用于广告传媒、文化演艺、体育场馆、高端会议室、交通控制、高端车展等，对LED的品质提出了更苛刻的要求。
LED 灯珠作为LED显示屏产品的基本组成单元之一， 其质量的好坏直接影响 LED 显示屏的使用体验。在实际使用过程中，由于受制作原料与工艺、环境温差、输入电压电流稳定性的影响，导致LED 灯珠在点亮过程中会出现灯珠表面外观发黑、光通量下降、漏电暗亮甚至死灯失效等现象。本文就常见的LED芯片失效问题进行阐述，并利用模拟双85恶劣环境下的实验结果加以说明，并提出相应的改善对策，有助于提升目前LED灯珠的可靠性方面提供方向。
2 LED失效分析及实验验证
2.1 LED芯片失效现象与讨论
在实际使用过程中，当处于不同的使用环境下，LED灯珠本身具备的性能会有所差异，可靠性方面涉及到线材和芯片两方面，芯片表现的可靠性问题包括金属迁移、掉电极、芯片烧伤、电化学腐蚀等。为了更好的表征LED芯片失效现象和原理，可以先从案例展开阐述。
案例：取2pcs失效LED灯珠样品，先进行电性测试，结果如表1所示，接着采用化学方法进行溶管解剖，内部外观结果如图1所示。
测试条件 | IF(R-G-B)=(15-8-5)mA; VR(R-G-B)=(20-10-10)V | |||||
编号 | R | G | B | |||
压降/V | 漏电流/μA | 压降/V | 漏电流/μA | 压降/V | 漏电流/μA | |
1# | 2.10 | 0 | 2.73 | 95 | × | |
2# | 2.05 | 0 | 2.44 | 860 | × | |
表1 2 pcs失效LED灯珠样品电性测试结果
图1 2 pcs失效LED灯珠样品的溶管外观结果
从图1可看出，1#样品存在绿管芯片金属迁移， 蓝管芯片烧伤、 金属迁移、掉电极问题，2#样品存在绿管芯片烧伤、清晰可见的金属迁移现象，以及蓝管芯片烧伤、金属迁移、掉电极的问题。这种芯片烧伤、掉电极、金属迁移问题主要有两种原因导致的： 1）灯珠使用或存储环境比较潮湿、恶劣或长时间未点亮，水汽会进入到灯珠内部，当通电时水汽参与反应造成灯珠芯片烧伤不良； 2）线路中存在有较高的突波电流通过灯珠，加速芯片烧伤，最终损坏芯片造成不良。其失效原理如图2 所示，当有水汽渗入到芯片表面的情况下，形成类似电镀的环境，而Au、Ag、Cr等元素容易被电解成金属离子，电解出的金属离子会沿着电场方向迁移析出；此外，灯珠在使用过程中受到高刷新频率，大电流等异常电场作用以及存在卤素环境下，会加速芯片烧伤、金属迁移、掉电极不良。
图2 芯片失效原理示意图
2.2 实验
针对1.1案例所述，LED器件失效最怕的是水汽的侵入，一旦水汽进入LED灯珠内部，对LED寿命及稳定性产生显著的影响。对此问题，提升LED器件的气密性则起到至关重要的作用。以TOP系列LED器件为例，就如何提升LED器件的气密性为主要目的，展开实验研究和分析。
我们都知道，PPA胶料是目前常见LED支架结构的重要组成之一，它能起到很好的防水保护的作用，但是不同的胶料的物理特性各不相同，导致其在LED灯珠起到的保护作用存在差异性，但由于支架的PPA和金属结合是物理结合，在过高温回流炉后很容易产生缝隙，同时气密性变差，从而导致水汽很容易沿着金属通道进入器件内部从而影响可靠性。为了更好模拟恶劣环境下的LED器件的性能，本文采用85℃/85%RH(简称“双85”)并施加7V负偏压的条件下实验，这种高湿高温状态在一定程度上可以模拟LED显示屏在极端的环境条件下使用。
以常规户外1921支架为例，对拉伸段位置做成不同的折弯角度，对比两者气密性和可靠性。如表2所示，3#样品采用折弯内角约90°，4#样品采用折弯内角约77°。
表2 不同支架的折弯角度外观示意图
编号 | 示意图 | 备注 |
3# |
| 折弯内角约90° |
4# |
| 折弯内角约77° |
2.3 结果与讨论
采用3#和4#支架搭配两种不同蓝光芯片B1和B2并分别制成4款LED器件样品，样品编号分别为3-1、3-2、4-1、4-2，其中芯片B1的抗水解性能强于芯片B2。取50 pcs样品贴板，将反压板置于双85环境中施加7V负偏压，经过24h、72h、120h和168h后表现出来的反压情况如表3所示，在极端条件下，1921支架拉伸段折弯内角约77°相对常规折弯内角约90°时表现的反压性能更优，同时也看出4#支架搭配抗水解性能更强的芯片B2方案明显优于其它三个方案。
表3 4种样品在不同时间表现的反压实验结果
编号 | 支架 | 芯片 | 数量/pcs | 反压结果(不良数量/pcs) | |||
24h | 72h | 120h | 168h | ||||
3-1 | 3# | B1 | 50 | 3 | 14 | 26 | 37 |
3-2 | B2 | 50 | 0 | 0 | 1 | 2 | |
4-1 | 4# | B1 | 50 | 0 | 0 | 0 | 1 |
4-2 | B2 | 50 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
同时为探究不同折弯内角支架对成品的气密性差异，本文先对以上4种样品置于150℃烘烤除湿2h，接着进行回流焊3次（最高温区265℃），最后将样品置于纯红墨水和加入体积百分比为50%酒精的红墨水进行常温浸泡12h，取出剪开观察红墨水是否浸入焊盘功能区，统计不良数据。由表4结果表明4#支架要比3#支架气密性表现更好，并且从表2的外观示意图能看出，4#样品支架拉伸段底部的金属料带与PPA结合面积明显增加，填充PPA更加饱满，延长了水汽进入支架内的路径，水汽进入芯片附近的几率降低，从而达到更好的防水性能。
表4 3基于常规和加严条件下的红墨水实验结果
样品 | 测试数量/pcs | 红墨水浸入焊盘功能区的不良比例 | |
常规条件 （SMT3次+常温纯红墨水浸泡12h） | 加严条件 （SMT3次+常温红墨水浸泡12h（红墨水：酒精=1:1）） | ||
3-1 | 50 | 0 | 4% |
3-2 | 50 | 0 | 4% |
4-1 | 50 | 0 | 0 |
4-2 | 50 | 0 | 0 |
3结论
提高LED产品的可靠性是一项复杂的综合工程，涉及的不仅是单一材料或工艺的改进，而是多种材料和工艺的协同改进才能实现的。针对目前LED芯片烧伤、掉电极、金属迁移问题，本文以户外TOP产品为例，从支架的气密性方面提出了提升反压性能方案验证，结果表明：
（1）在双85这种恶劣极端的环境下，1921支架拉伸段折弯内角约77°表现出的反压性能会明显优于常规折弯内角约90°，加强支架气密性是有助于提升产品性能；
（2）气密性更好的支架搭配抗水解性能更强的芯片对进一步提升LED产品的反压性能更是如虎添翼，这需要上游芯片端实现芯片本身抗水解性能的工艺提升，才能达到更佳的提升效果。
（项目基金：广东省半导体微显示企业重点实验室）
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