一、芯片缺陷

在LED器件的失效案例中，芯片缺陷是一個不容忽視的因素。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極金屬化層之間開裂所導致。進一步分析推測，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LED芯片表面受到污染時，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)境試驗進行驗證：在烘烤后會有減小趨勢，而進行潮熱試驗時漏電流又能恢復。在實際案例中，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致腐蝕現(xiàn)象，進而影響LED器件的性能和可靠性。

三、導電膠失效

導電膠在LED器件中起著至關(guān)重要的作用，但其失效機理也較為復雜。

背面有電極的LED芯片通常通過導電膠進行粘接，作為LED的一個電極。

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

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

導電膠粘接最容易產(chǎn)生的問題是粘接不良，導致導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，對其施加機械壓力可能恢復正常，并可以多次復現(xiàn)。這種導電膠開裂的失效現(xiàn)象往往與封裝時銀漿的正確使用、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，導致銀漿導電性能下降。圖4則展示了另一種失效機理：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，若對銀漿控制不佳就會引入另一個失效機理：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兩個電極之間有較大的漏電，開封LED后發(fā)現(xiàn)導電膠點膠過多，在芯片粘接時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封裝時一個很重要的步驟，鍵合工藝不良很容易導致芯片損傷、鍵合絲損傷、鍵合絲與芯片或引腳鍵合強度不夠等故障，這些故障與鍵合機本身的狀態(tài)、鍵合機的參數(shù)設置、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、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)設計不當

LED芯片成分有InGaN、AlInGaP和ZnSe等半導體材料，這些材料往往比Si芯片更薄、更脆。若封裝設計不當，導致內(nèi)部存在殘存應力，這些應力的存在就可能導致器件芯片開裂、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)生與機械應力有關(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：機械應力在LED芯片的兩個電極之間形成相對的剪切力，通過凸點直接作用到LED芯片上，導致薄且脆的LED芯片受力開裂。機械應力的產(chǎn)生與熱變應力有關(guān)。

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

六、使用不當

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，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；散熱不良導致器件發(fā)生熱奔。

2.靜電擊穿

若LED器件沒有設計靜電保護單元時，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，通常也是采用導電膠進行電連接和機械固定。由于LED的機械尺寸小，必須嚴格控制點膠位置和點膠量。若導電膠延伸到LED兩電極之間，形成附加導電通道。這種短路原因可能是：導電銀漿涂覆過多；銀漿的黏度太小，導致銀漿流動性太大。當與基板焊接的銀漿定位不準、銀漿點膠量不夠時，也會導致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的兩個電極與基板之間存在樹枝狀異物，研磨到相應位置時也發(fā)現(xiàn)部分失效樣品的電極與底部基板短接，同時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物之間，綜合分析認為該異物是焊料在粘污或腐蝕性成分和電場的同時作用下，發(fā)生了電化學遷移，導致電極之間短路。

結(jié)語

LED器件的可靠性問題涉及多個方面，包括芯片設計、封裝工藝（導電膠、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)了多種典型失效機理，并提出了針對性的改進措施。希望這些分析和建議能夠為業(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，應更加注重芯片制程工藝的優(yōu)化、封裝材料和工藝的改進以及使用環(huán)境的控制，以確保LED器件在各種應用場景下的穩(wěn)定性和可靠性。