LED失效分析方法簡介
和半導(dǎo)體器件一樣，發(fā)光二極管(LED)早期失效原因分析是可靠性工作的重要部分，是提高LED可靠性的積極主動(dòng)的方法。LED失效分析步驟必須遵循先進(jìn)行非破壞性、可逆、可重復(fù)的試驗(yàn)，再做半破壞性、不可重復(fù)的試驗(yàn)，最后進(jìn)行破壞性試驗(yàn)的原則。采用合適的分析方法，最大限度地防止把被分析器件(DUA)的真正失效因素、跡象丟失或引入新的失效因素，以期得到客觀的分析結(jié)論。針對(duì)LED所具有的光電性能、樹脂實(shí)心及透明封裝等特點(diǎn)，在LED早期失效分析過程中，已總結(jié)出一套行之有效的失效分析新方法。
LED失效分析方法
1、 減薄樹脂光學(xué)透視法
在LED 失效非破壞性分析技術(shù)中，目視檢驗(yàn)是使用最方便、所需資源最少的方法，具有適當(dāng)檢驗(yàn)技能的人員無論在任何地方均能實(shí)施，所以它是最廣泛地用于進(jìn)行非破壞檢驗(yàn)失效LED的方法。除外觀缺陷外，還可以透過封裝樹脂觀察內(nèi)部情況，對(duì)于高聚光效果的封裝，由于器件本身光學(xué)聚光效果的影響，往往看不清楚，因此在保持電性能未受破壞的條件下，可去除聚光部分，并減薄封裝樹脂，再進(jìn)行拋光，這樣在顯微鏡下就很容易觀察LED芯片和封裝工藝的質(zhì)量。諸如樹脂中是否存在氣泡或雜質(zhì);固晶和鍵合位置是否準(zhǔn)確無誤;支架、芯片、樹脂是否發(fā)生色變以及芯片破裂等失效現(xiàn)象，都可以清楚地觀察到了。
2、半腐蝕解剖法
對(duì)于LED單燈，其兩根引腳是靠樹脂固定的，解剖時(shí)，如果將器件整體浸入酸液中，強(qiáng)酸腐蝕祛除樹脂后，芯片和支架引腳等就完全裸露出來，引腳失去樹脂的固定，芯片與引腳的連接受到破壞，這樣的解剖方法，只能分析DUA的芯片問題，而難于分析DUA引線連接方面的缺陷。因此我們采用半腐蝕解剖法，只將 LED?DUA單燈頂部浸入酸液中，并精確控制腐蝕深度，去除LED?DUA單燈頂部的樹脂，保留底部樹脂，使芯片和支架引腳等完全裸露出來，完好保持引線連接情況，以便對(duì)DUA全面分析。圖1所示為半腐蝕解剖前后的φ5LED，可方便進(jìn)行通電測試、觀察和分析等試驗(yàn)
在LED-DUA缺陷分析過程中，經(jīng)常遇到器件初測參數(shù)異常，而解剖后取得的芯片進(jìn)行探針點(diǎn)測，芯片參數(shù)又恢復(fù)正常，這時(shí)很難判斷異?，F(xiàn)象是由于封裝鍵合不良導(dǎo)致，還是封裝樹脂應(yīng)力過大所造成。采用半腐蝕解剖，保留底部樹脂，祛除了封裝樹脂應(yīng)力的影響，又保持DUA內(nèi)部引線連接，這樣就很容易確認(rèn)造成失效的因素。
3、 金相學(xué)分析法
金相學(xué)分析法是源于冶金工業(yè)的分析和生產(chǎn)控制手段，其實(shí)質(zhì)是制備供分析樣品觀察用的典型截面，它可以獲得用其他分析方法所不能得到的有關(guān)結(jié)構(gòu)和界面特征方面的現(xiàn)象[1]。LED的截面分析，是對(duì)LED-DUA失效分析的“最后手段”，此后一般無法再進(jìn)行其他評(píng)估分析。它也是一種LED解剖分析法，為了分析微小樣品，在一般試驗(yàn)中，需要對(duì)分析樣品進(jìn)行樹脂灌封，以便進(jìn)行機(jī)械加工，再對(duì)所需要分析的界面進(jìn)行刨削或切斷，然后經(jīng)過研磨、拋光，獲得所要分析的界面。而對(duì)LED器件，有很多本身就是樹脂灌封器件，這樣只要選好界面，就可通過刨削、研磨、拋光等，獲得LED- DUA的典型截面。操作中，剖截面通?？捎媒饎偵凹堁心?，當(dāng)接近所關(guān)注的區(qū)域時(shí)，改用較細(xì)的金剛砂紙研磨或水磨，最后在細(xì)毛織物上用0.05μm的氧化鋁膏劑拋光。圖2為φ5白光LED側(cè)向典型截面，可清楚地看到其結(jié)構(gòu)情況。
需要注意的是GaN基LED中的藍(lán)寶石襯底異常堅(jiān)硬，由于目前尚未有較好的研磨方法，因此對(duì)這類的DUA還難以對(duì)芯片進(jìn)行截面分析。
4、 析因試驗(yàn)分析法
析因試驗(yàn)是根據(jù)已知的結(jié)果，去尋找產(chǎn)生結(jié)果的原因而進(jìn)行的分析試驗(yàn)[2]。通過試驗(yàn)，分清是主要影響還是次要影響的因素，可以明確進(jìn)一步分析試驗(yàn)的方向。析因試驗(yàn)分析是一種半破壞性試驗(yàn)。LED-DUA解剖分析對(duì)操作過程要求較高，稍不留神即可能造成被分析器件的滅失。分析過程中，經(jīng)常先采用析因試驗(yàn)分析法，分析工程師根據(jù)復(fù)測結(jié)果和外觀檢查情況，綜合相應(yīng)理論知識(shí)和以往積累的分析經(jīng)驗(yàn)，估計(jì)器件失效原因，并提出針對(duì)性試驗(yàn)和方法進(jìn)行驗(yàn)證。一般可采用相應(yīng)的物理措施和試驗(yàn)———冷熱沖擊試驗(yàn)、重力沖擊試驗(yàn)、高溫或低溫試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)等。例如庫存φ5透明紅光LED單燈，出貨檢驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)個(gè)別LED間歇開路失效現(xiàn)象，而兩次檢測只經(jīng)過搬動(dòng)運(yùn)輸，故先對(duì)DUA采用重力沖擊試驗(yàn)，出現(xiàn)試驗(yàn)后開路失效，減薄樹脂后看到芯片與銀漿錯(cuò)位，是造成間歇開路失效的原因。
5、 變電流觀察法
作為光電器件的LED，與一般半導(dǎo)體器件相比，其失效分析除檢測DUA的電參數(shù)外，還必須關(guān)注光參數(shù)方面的變化。除了通過專業(yè)測試儀檢測外，還可直接通過眼睛或借助顯微鏡觀察DUA的出光變化情況，經(jīng)?？梢缘玫筋A(yù)想不到的收獲。如果DUA按額定電流通電，觀察時(shí)可能因出光太強(qiáng)而無法看清，而通過改變電流大小，可清晰地觀察到其出光情況。例如GaN基藍(lán)光LED正向電壓Vf大幅升高的現(xiàn)象，在小電流下，有些可以觀察到因電流擴(kuò)展不良而造成芯片只有局部發(fā)光的現(xiàn)象，顯然為電極與外延層間接觸不牢靠，在封裝應(yīng)力的作用下，接觸電阻變大所造成的失效。圖3為經(jīng)減薄處理后φ5LED所觀察到的芯片小電流擴(kuò)展不良現(xiàn)象。
6、 試驗(yàn)反證法
LED失效分析過程中，經(jīng)常受到分析儀器設(shè)備和手段的限制，不能直觀地證明失效原因，高素質(zhì)的分析工程師，經(jīng)常通過某些分析試驗(yàn)，采取排除的辦法，推論反證失效原因。例如DUA為8×8紅光 LED點(diǎn)陣，半成品初測合格，灌膠后出現(xiàn)單點(diǎn)LED反向漏電流特大，受儀器設(shè)備限制，只有直流電源和LED光電參數(shù)測試儀，不能做解剖或透視分析，測試中發(fā)現(xiàn)DUA正向光電參數(shù)無異常，而反向漏電流大，故采用反向偏置并加大電流至數(shù)十毫安后，再測正向光電參數(shù)，前后結(jié)果無明顯變化，說明反向偏置中的數(shù)十毫安并非從該LED芯片通過，由此推定并非LED芯片造成漏電。