一、芯片缺陷

在LED器件的失效案例中，芯片缺陷是一個(gè)不容忽視的因素。失效的LED器件表現(xiàn)出正向壓降（Vf）增大的現(xiàn)象，在電測過程中，隨著正向電壓的增加，樣品仍能發(fā)光，這暗示著LED內(nèi)部可能存在電連接不良的問題。

經(jīng)過固封、研磨等處理后，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，金屬化層從LED芯片上開裂，而非鍵合絲與金屬化層之間開裂。這表明樣品正向壓降的增大是由于芯片與其負(fù)極金屬化層之間開裂所導(dǎo)致。進(jìn)一步分析推測，可能是在淀積金屬化之前，氧化層受到玷污，或者水汽控制不佳，導(dǎo)致金屬化層與其下的氧化層之間粘附不良。這種失效屬于芯片本身制程工藝過程存在缺陷，而與封裝工藝無關(guān)。

二、芯片腐蝕

當(dāng)LED芯片表面受到污染時(shí)，往往會在LED電極之間引入較大的漏電流。這種漏電流可以通過環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證：在烘烤后會有減小趨勢，而進(jìn)行潮熱試驗(yàn)時(shí)漏電流又能恢復(fù)。在實(shí)際案例中，將LED樣品表面的透明灌封料減薄后，觀察到LED芯片上有黑色多余物。

將芯片開封出來后進(jìn)行掃描電子顯微鏡分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管處內(nèi)鍵合點(diǎn)表面與鍵合區(qū)的黑色附著物為腐蝕生成物，含有異常元素Na和Cl。這說明芯片表面的污染會導(dǎo)致腐蝕現(xiàn)象，進(jìn)而影響LED器件的性能和可靠性。

三、導(dǎo)電膠失效

導(dǎo)電膠在LED器件中起著至關(guān)重要的作用，但其失效機(jī)理也較為復(fù)雜。

背面有電極的LED芯片通常通過導(dǎo)電膠進(jìn)行粘接，作為LED的一個(gè)電極。

導(dǎo)電膠一般由預(yù)聚體、稀釋劑、交聯(lián)劑、催化劑、金屬粉末以及其他添加劑組成，其力學(xué)性能和粘接性能主要由預(yù)聚體決定。導(dǎo)電填料有碳、金屬（如銀、金、銅、鎳等）、金屬氧化物三大類。

然而，導(dǎo)電膠對于儲存、使用都有嚴(yán)格的規(guī)定，如必須儲存在低溫環(huán)境中，必須在一定時(shí)間內(nèi)使用完，超過保質(zhì)期不能使用，嚴(yán)格控制固化溫度和固化時(shí)間，環(huán)境濕度要有嚴(yán)格控制，基板等必須保持干燥，否則導(dǎo)電膠易于潮解，引起固化不良。此外，若采用導(dǎo)電銀漿還需要防范銀遷移，以免導(dǎo)電電阻增加、形成額外的漏電通道。

導(dǎo)電膠粘接最容易產(chǎn)生的問題是粘接不良，導(dǎo)致導(dǎo)電膠與芯片或引線架開裂，最終使LED工作不穩(wěn)定、串聯(lián)電阻增大、擊穿電壓加大，甚至開路。

對器件進(jìn)行溫度沖擊等操作會使這些現(xiàn)象加深或減小，對其施加機(jī)械壓力可能恢復(fù)正常，并可以多次復(fù)現(xiàn)。這種導(dǎo)電膠開裂的失效現(xiàn)象往往與封裝時(shí)銀漿的正確使用、各種封裝材料之間的熱膨脹系數(shù)匹配、芯片粘接面和基板表面的潔凈度有很大關(guān)系。

此外，銀漿也容易受到污染物的腐蝕，導(dǎo)致銀漿導(dǎo)電性能下降。圖4則展示了另一種失效機(jī)理：失效LED芯片的銀漿與基板分離，而且分離面的銀漿表面附著一層腐蝕性生成物，EDS分析發(fā)現(xiàn)腐蝕性元素Cl。

LED芯片本身物理尺寸很小，因此在用銀漿粘接和電連接時(shí)，若對銀漿控制不佳就會引入另一個(gè)失效機(jī)理：銀漿延伸至芯片表面，產(chǎn)生短路與漏電。在上板后測試發(fā)現(xiàn)LED呈現(xiàn)批次性失效，模式都是LED兩個(gè)電極之間有較大的漏電，開封LED后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電膠點(diǎn)膠過多，在芯片粘接時(shí)銀漿延伸至芯片表面，與芯片上無鈍化層的金布線形成短路通道。

四、鍵合不良

鍵合工藝是LED封裝時(shí)一個(gè)很重要的步驟，鍵合工藝不良很容易導(dǎo)致芯片損傷、鍵合絲損傷、鍵合絲與芯片或引腳鍵合強(qiáng)度不夠等故障，這些故障與鍵合機(jī)本身的狀態(tài)、鍵合機(jī)的參數(shù)設(shè)置、操作人員的熟練度等有關(guān)。

例如，下圖展示了鍵合不良導(dǎo)致LED開路失效的例子，測試發(fā)現(xiàn)LED樣品開路，X射線下發(fā)現(xiàn)樣品芯片上兩個(gè)金絲鍵合不一致，制作金相切片發(fā)現(xiàn)LED的鍵合絲與鍵合球分離，導(dǎo)致器件開路。從金絲鍵合的形狀和切片形貌分析，開路與封裝工藝有關(guān)，而非在后續(xù)的使用、焊接過程中分離。

圖中展示了金絲在內(nèi)鍵合點(diǎn)金球附近存在斷裂，引起樣品呈現(xiàn)開路或大串連電阻的特性。從圖中可以看出金絲變細(xì)、斷裂、無過流過熱特征，該處灌封材料也未見空洞等異常，表明金絲變細(xì)是在LED灌封前就存在損傷，即樣品鍵合絲頸縮處異常是由于鍵合工藝控制不佳所致。

五、封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)

LED芯片成分有InGaN、AlInGaP和ZnSe等半導(dǎo)體材料，這些材料往往比Si芯片更薄、更脆。若封裝設(shè)計(jì)不當(dāng)，導(dǎo)致內(nèi)部存在殘存應(yīng)力，這些應(yīng)力的存在就可能導(dǎo)致器件芯片開裂、功能退化等可靠性問題。

例如，分析的案例是LED樣品上板后出現(xiàn)大批量的失效。

對LED樣品進(jìn)行失效分析發(fā)現(xiàn)：所有發(fā)光二極管的芯片都存在有裂紋，并且裂紋位置相同：都位于芯片的右邊區(qū)域，即靠近陽極引出片右邊緣。裂紋貫穿pn結(jié)，裂紋處pn耐壓嚴(yán)重下降，而且，在潮濕的環(huán)境下，pn結(jié)處裂紋漏電增大。裂紋的產(chǎn)生與機(jī)械應(yīng)力有關(guān)。

結(jié)合樣品的失效現(xiàn)場信息以及芯片的基板結(jié)構(gòu)、芯片的電連接方式（凸點(diǎn)倒裝焊接，而非通常的金絲焊接），分析LED芯片開裂的原因是：機(jī)械應(yīng)力在LED芯片的兩個(gè)電極之間形成相對的剪切力，通過凸點(diǎn)直接作用到LED芯片上，導(dǎo)致薄且脆的LED芯片受力開裂。機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生與熱變應(yīng)力有關(guān)。

對于這種失效機(jī)理，建議對器件的封裝進(jìn)行改進(jìn)，譬如在芯片與基板之間添加填充料，為芯片提供機(jī)械支撐，以及調(diào)和基板、銅引出片、芯片之間的熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力；改進(jìn)銅引出片的形狀以減小熱膨脹導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力。

六、使用不當(dāng)

1.過流后燒毀

若LED器件的電流超過器件本身能夠承受的極限時(shí)，就會燒毀器件。大電流的來源主要有：外部正向電壓過大；LED特性退化；散熱不良導(dǎo)致器件發(fā)生熱奔。

2.靜電擊穿

若LED器件沒有設(shè)計(jì)靜電保護(hù)單元時(shí)，很容易就受到靜電損傷。

3.焊接失效

LED焊接到PCB板或柔性電路板（FPC）時(shí)，通常也是采用導(dǎo)電膠進(jìn)行電連接和機(jī)械固定。由于LED的機(jī)械尺寸小，必須嚴(yán)格控制點(diǎn)膠位置和點(diǎn)膠量。若導(dǎo)電膠延伸到LED兩電極之間，形成附加導(dǎo)電通道。這種短路原因可能是：導(dǎo)電銀漿涂覆過多；銀漿的黏度太小，導(dǎo)致銀漿流動性太大。當(dāng)與基板焊接的銀漿定位不準(zhǔn)、銀漿點(diǎn)膠量不夠時(shí)，也會導(dǎo)致LED器件開路。

七、柔性電路板焊料遷移

測試發(fā)現(xiàn)柔性板上LED不亮。由X-RAY和金相切片分析發(fā)現(xiàn)：失效LED的兩個(gè)電極與基板之間存在樹枝狀異物，研磨到相應(yīng)位置時(shí)也發(fā)現(xiàn)部分失效樣品的電極與底部基板短接，同時(shí)EDS分析出樹枝狀異物的主要成分為Sn，這說明LED短路（不亮）是由于其電極與基板之間Sn遷移短路所致。這些樹狀異物位于基板的有機(jī)物之間，綜合分析認(rèn)為該異物是焊料在粘污或腐蝕性成分和電場的同時(shí)作用下，發(fā)生了電化學(xué)遷移，導(dǎo)致電極之間短路。

結(jié)語

LED器件的可靠性問題涉及多個(gè)方面，包括芯片設(shè)計(jì)、封裝工藝（導(dǎo)電膠、鍵合、結(jié)構(gòu)）以及使用過程（過流、靜電、焊接等）。通過對失效LED器件的深入分析，本文總結(jié)了多種典型失效機(jī)理，并提出了針對性的改進(jìn)措施。希望這些分析和建議能夠?yàn)闃I(yè)界解決LED方面的故障提供參考，從而提高LED器件的良品率和可靠性。

在未來的研發(fā)和生產(chǎn)過程中，應(yīng)更加注重芯片制程工藝的優(yōu)化、封裝材料和工藝的改進(jìn)以及使用環(huán)境的控制，以確保LED器件在各種應(yīng)用場景下的穩(wěn)定性和可靠性。