工程师分享：LED失效原因分析

工程师分享：LED失效原因分析

LED的发光源是由所谓的III-V化合物所构成，即大家熟知的磊晶晶粒(chip)，该固态化合物本身性质很安定，在产品所规范的条件下使用并不易损坏，而处于一般的应用环境中也不起化学反应，因此拥有较长的产品寿命。然而，为使该LEDchip发光，必须由外界通入电流，因此一般会把尺寸很小的chip黏贴在特定的载台(或称导线架)上并以金属线或銲锡等材料连接chip的正负两极，然后用高分子材料包复整个载台，这就是所谓的封装制程，经过这段制程后成为市面上常见一颗颗的LED灯珠。在实际应用时，还会视所需把数颗LED灯珠组装成模组，最后再与其它功能的模组组合成为终端产品。

从上可知，一个LED产品的失效，起因可能来自于该产品的任何一个部份，故必须抽丝剥茧方能找到真正的失效原因。针对失效来自LED灯珠而言，因完整的LED灯珠中，LEDchip本身很强壮，但包复chip的封装材料则易遭受损伤，因此，LED灯珠的失效多可归因于封装材料的破坏或劣化所导致。若要充分解析这类失效，牵涉到光学、化学、材料学、电子物理学等领域的专业知识，并搭配精密的仪器与丰富的实务经验，才能确认失效点并推导真因，进而提出改善对策。本公司宜特科技在替LED产品进行相关失效测试时，发现许多总类的LED失效现象，也研发出相对应的解析手法，借此文将过去三年多服务LED客户之经验做一分享：

1.不亮：这种失效是指LED通电后完全不发光。一般而言，导电路径上的”断路(open)"是本类失效的主因之一，确认断路的方法也十分简易，以常见的三用电表就可验证。不过，要找到断路点就必须做进一步的解析，例如：可用X-ray来确认打线是否断线或脱离、用SEM(扫瞄式电子显微镜)观察剖面结构可检查黏晶部份的缺陷等等。本类失效的第二个主因是”短路(short)”，这是因为电流未确实通过LEDchip，而是流经”旁门左道”，故LED灯珠自然不会发光，如：因发生电子迁移导致电极金属原子的不正常扩散，譬如氧化铟锡(ITO)、银或是GaN/InGaN二极管中的阻挡层金属等都可能因机械应力、高电流密度或在腐蚀性的环境发生此类异状。其它的原因可能是打线偏移、黏晶胶爬胶等等。这种失效必须利用I-Vcurve(电流-电压图)才能判定，至于失效点因为从外观无法检查到上述缺陷，故需先以X-ray来确认;或是化学溶液去除LED封装材料后，再使用光学(OM)或电子显微镜(SEM)仔细检查。

2.变色：这类失效是指LED不点亮的状况下，外观颜色或胶材透明度与新品不同，用肉眼即可看出，通常在产品使用一段时间或在做完可靠度试验后发生。一般说来，变色区域大致可区分为发生在导线架或封装胶材两类，若发生在导线架，通常是因为表面与环境中的化学物质发生反应，如氧化或硫化，要分辨属于哪种需仰赖成份分析，可使用的仪器包含有EDS(EnergyDispersiveX-raySpectroscope)、XPS(X-rayPhotoelectronSpectrometer)、AES(AugurElectronSpectroscope)等等。若是封装用的胶材发生变色，则属于高分子材料的劣化现象，如环氧树脂易受高温或是紫外光影响而变黄，因此白光LED多改采矽胶取代之。分析此类失效应特别留意，因胶材本身有一定的透明度，有时变色的导线架因被胶材盖住而误判为胶材变色，引导至错误的改善方向。

3.光衰：这种失效系指LED发出的光强度低于新品。如前面章节所述，光衰程度已成为评判LED照明产品寿命的重要指标，所以这类失效的分析就相当重要。整体来说，本类失效的分析非常复杂，因为影响光强度的因素非常多，如chip劣化、反射杯的劣化、胶材与chip间脱层、胶材透明度下降、打线接合面电阻上升、热阻太高等等，若发生在白光LED，则还需考虑萤光粉劣化的问题，因白光LED通常使用一或多种的萤光粉，它们会受到热或湿气的影响而衰减并降低效率，导致产出的光色改变。分析的手法包括有：非破坏检测，如外观检查、LED电性曲线、积分球的光学特性等等，用上述数据综合判断，逐一排除，当推断可能原因后，接着进行破坏性分析，利用样品制备技术制作出适合的分析样品，再辅以各种仪器如SAT(ScanningAcousticTomography)超音波扫瞄、FTIR(FourierTransformInfraRed)傅立叶转换红外光谱仪、TEM(TransmissionElectronMicroscope)穿透式电子显微镜、SEM(ScanningElectronMicroscope)等等加以验证，方能到真因。

4.ESD失效：这是一种静电放电所引起的ch