关于RGB芯片解离失效探讨

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.010

摘  要：随着LED RGB户外亮化工程的发展，户外显屏应用不断扩大。城市夜景变得更加璀璨多姿，也成为各城市宣传名片。大量RGB户外应用增添了城市色彩的同时，潜藏的问题也陆续暴发。终端应用在使用半年或1年后，发生个别LED灯珠不亮，影响整体视觉效果。暗灯是最常见失效模式，其中芯片受损是导致暗灯的主要因素。文章主要论述芯片失效产生的原理和检测方法，及如何提升芯片抗湿特性。

关键词：RGB;解离;水汽;Passivation;暗灯

中图分类号：TN312       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）09-0035-04

Discussion on Dissociation Failure of RGB Chip

XIE Bingzhang

（Episky Corporation（Xiamen）Ltd.，Xiamen  361101，China）

Abstract：With the development of LED RGB outdoor lighting project，the application of outdoor display screen is expanding. The night view of the city has become more dazzling and colorful，and it has also become the business card of various cities. While a large number of RGB outdoor applications add to the citys colors，hidden problems are also emerging one after another. The terminal application has been used for more than half a year or more than a year，and individual LED lamp beads do not light up，which affects the overall visual effect. Dim light is the most common failure mode，in which chip damage is the main factor leading to dim light. This paper mainly discusses the principle and detection method of chip failure，and how to improve the chips anti-humidity characteristics.

Keywords：RGB;dissociation;moisture;Passivation;dim light

0  引  言

随着城市化不断推进，现如今各城市都十分重视城市夜景亮化，比如广场夜景，建筑夜景，园林夜景，道路桥梁亮化，户外广告等。大量LED RGB應用的增加，使用出现的问题也就更突出了。其最常见的就是单一封装体不亮，导致大屏幕显示坏点;户外灯条个别点不亮，影响整效果。如何提升产品使用寿命，LED芯片失效所因为何，如何提高产品抗湿特性是当下RGB户外应用面临的难题。

1  RGB芯片失效分析

失效样本，需先剥离封装胶及环氧树脂。常用剥离方法有机械研磨，化学药水溶解两种。为最大限度保护芯片本身，一般会先使用机械研磨一定厚度，观察芯片外观状况，再进行下一步溶解取出芯片。最后再对芯片外观，光电特性进行分析。

1.1  芯片封装影响

一般封装后芯片跟外界是完全隔离的，只能通过导线跟电源联通。那么芯片失效如果不是因焊线脱落，就是外界物质侵入导致反应破坏^[1]。异常封装体用红药水长时间浸泡后看封装体外观，也可以加压方式来缩短验证时间。RGB封装体如图1所示，在常压下浸泡红药水20 h后外观，可以很明显看到红药水已渗入到封装体内。气密性不佳，导致水汽侵入是封装体常见失效模式。

图1  封装体外观图

封装材料中不管采用何种生产工艺，在环氧的生产过程中由于环氧氯丙烷的参与会引入氯元素，均会产生盐和水。后期虽然采用水洗法、溶剂萃取法或者溶剂法进行后处理，但胶体中容易有氯残留。各种副反应以及水洗不完全而残留的氯，可能会以氯离子或有机氯形式存在。这些残留有机或者无机氯在灯珠的高温密闭环境中会发生分解或挥发，形成活性氯，对支架镀银层、合金线、芯片电极（铝反射层）或其他活泼金属造成氯化腐蚀。双酚A型环氧树脂^[2]的反应方程式如图2所示。

1.2  芯片失效原理

LED驱动需要正偏电压，另外因电源切换还有一定逆偏电压存在，而有偏压就存在电场，水汽在电场的作用下会解离H⁺、OH^-离子，另外因为工艺流程人员手汗，口沫污染等导致其封装体内带有氯离子。这些都为芯片发生电化学反应提供了条件，根据反应条件我们把失效分为两大类。

1.2.1  普通水汽解离失效

RGB LED中蓝绿LED主要材料为氮化镓，红光LED主要材料是磷化稼（含微量Al、In）。在纯水环境中，Au氧化还原电位较高，不易产生Au离子迁移现象。P、N电极（PAD）氧化还原电压差为1.68 V，模型如图3所示。

氮化镓在有水汽（moisture）的电场环境下，会发生2GaN+6h⁺+6OH^-→Ga₂O₃+3H₂O+N₂導致氮化镓发光层破坏^[3]。另外目前LED广泛使用ITO作为透明导电膜材料，在水汽电场下，ITO膜在阳极和阴极极化时的电化学腐蚀行为，ITO中的In氧化物发生氧化还原，变成金属。模拟ITO还原机制，发现ITO氧化还原后变成颗粒状态，对应颗粒状元素分析，发现其失去了O^[4]。

1.2.2  水汽&卤素元素解离失效

RGB LED电极结构含有活性强Al，活性差的Cr、Au等。卤素元素影响中最常见的就是来自氯（主要来源于人的口沫、手汗等）的影响。当湿气环境中含有卤素存在，会造成Au氧化还原电位降低，P、N电极电位差降为0.93 V;Au ions（金离子）就开始产生，容易发生Au migration的电化学反应。其失效模型如图4所示。

在湿气环境下，有流动金属离子存在（Au→Au²⁺+2e^-），高电位差这些导致了ECM（电化学迁移）现象。ECM的特征是金属离子在相邻金属导体之间移动，从而形成树枝状晶体，如图5所示。

金属离子是由高电位向低电位迁移，当逆偏电压为主要影响时，N电极上Au离子，迁移到P电极，并逐渐解离向N方向生产，类似树枝状。直到P、N串起来失去电位差，ECM就停止发生。反之当正偏电压为主要影响时，P电极Au离子向N电极移动，如图6所示。

除了Au会存在解离外，当芯片表面保护层被破坏，电极中的Cr、Al也会存在解离现象。比如PAD反射层被氯破坏（2Al+6HCl→2AlCl₃+3H₂;AlCl₃+3H₂O→Al（OH）₃+ 3HCl）。

2  常用失效检验方法

判断产品的抗湿性能和气密性水平，常见的方法有盐雾测试、人工汗液浸泡、高温高湿烧测、红药水浸泡等等。下文主要介绍盐雾测试、高温高湿测试、针刺浸泡测试三种检验方法。

2.1  盐雾测试

测试对象可以是封装体，PCB板上芯片（盖上硅胶或是环氧树脂）。测试温度30 ℃～50 ℃;盐水浓度：5%±1%盐，95%纯水;pH酸碱度6.4～7.3间;喷雾量ml/80 cm2/h，差不多每小时1 ml～2 ml^[5]。目前判定方法就是看48 h后前后VF衰减比例。此检验方法可以有效检验封装气密性，同时也可以检验芯片抗湿能力水准。此方式对仪器控制较严苛，一般由专业分析厂商测试。委外测试费用较高，时程也较长，欧美大厂较多使用此来判定产品水准。国内厂商目前使用还相对较少。

2.2  高温高湿测试

烤箱温度控制50 ℃～80 ℃，湿度55%～85%，LED芯片固定于PCB板上，可以分盖胶和更严苛的不盖胶。驱动电压-5 V～-10 V也可以用正偏压。烧测96 h，168 h或是更久，看VF、IV衰减比例，>±5%，基本会判定NG。当然也可以用加湿器内的水改用加一定比例盐水，检验条件更严苛。当然对于烤箱本身隔离效果跟配件保护要求更高。

2.3  针刺浸泡测试

这个主要是对芯片本身抗湿性能测试，用探针分别接通P，N电极。用电源提供正或逆偏压（-3.5 V～-6 V），限定电流（15 μA～35 μA）;芯片浸泡纯水，或盐水（0.1%～5%）。在指定时间内其前后VF衰减比例<2%。此方法相较简单，可以有效避免因焊线工艺偏差导致芯片电极保护失效。如图7纯水汽破坏外观，如图8水汽加卤素破坏外观。

3  提升RGB芯片抗湿性能解决方案

3.1  封装过程改善方案

封装制程主要分固晶、焊线、盖胶、切割、分选、包装入库。封装材料中固晶胶，封装胶等材料导入前需确认材料成分是否含有超标氯元素。支架在使用前建议进行氩离子或使用有机溶剂以超声波清洗。盖胶前作业人员佩戴手套，口罩，发帽;尽可能不直接碰触产品。盖胶过程中Particle环境控制盖胶前氩离子处理，以及监控离子清洁能力^[6]是管控封装过程中芯片污染的关键点。盖胶过程中温差控制（封装胶&支架芯片），避免后续芯片点亮后因温度上升，两种材料膨胀超限导致气密性不足^[7]。支架切割过程中刀片的冷却，切割用水建议使用RO或DI水，自来水中含有大量氯元素，残留于分装体就有可能导致后续产品使用寿命下降。

3.2  芯片制程改善方案

RGB芯片大部分终端应用驱动电流不大10 mA以下，亮度要求不高，对应芯片制程并不复杂。芯片制程主要为Mesa;CB;ITO;BP;PV3～5道制程。失效常表现于发光区受损，P，N电极串联，电极解离Peeling等。

3.2.1  保护膜层

SiO2因其可见光穿透率高，蓝绿芯片基本都用SiO₂;SiO₂使用PECVD沉积，较PVD镀膜成膜均匀性更高，致密性也更佳，镀膜堆叠也好于物理镀膜。从失效样本分析中发现存在SiO₂受损，安排不同膜厚同一测试条件下，膜厚越厚其抗湿性能越好。采用ALD沉积SiO₂，利用其良好的step coverage，膜致密性，同膜厚下也表现出更优的抗湿性能^[8]。另外氮化硅，Al₂O₃也有较好抗湿性能，但因其穿透率不如SiO₂，影响出光效率，除非倒装芯片外，其他应用偏少。

3.2.2  电极结构

电极是连接芯片與外部电源的桥梁。电极材料涉及Au、Ti、Al、Cr等，其中Al是活性金属，容易被反应。在电极制程中常选择惰性强的金属来保护Al，利用镀膜温度差异，光刻胶伸张特性，让后续镀膜材料保护前一层。当然也可以使用二次镀膜，利用光罩设计尺寸差异达到完全保护作用。对应生产成本会明显增加。电极结构活性金属层越少，其抵抗受外界攻击能力也越强，对应也会牺牲芯片性能。改善钝化层与电极中Au附着，也能够很好保护电极。但因封装焊线焊点偏差，机台稳定性差异，电极上保护层易被破坏。电极跟焊球直接差异越大被破坏比例越低，近三年失效样本统计发现，电极跟焊球直径差异<10 μm，电极保护层被破坏比例>60%。

3.2.3  芯片设计

目前蓝绿芯片都是采用P、N同平面的水平结构;红光芯片多为P、N上下的垂直结构。单纯考虑芯片失效影响，正、逆偏压均会影响蓝绿芯片;红光芯片因其中一个电极埋于固晶胶内，不受逆偏压影响。根据Au migration原理，P、N极最终会串联失效。因蓝绿芯片都是水平结构，所以需将N-氮化镓蚀刻出来。除了P、N电极裸露无法避免，N-氮化镓走道也需保护起来，N-氮化镓蚀刻到衬底用钝化层保护起来如图9所示（PV：钝化保护层）。

目前提升芯片抗湿能力，也只能延缓芯片本身失效时间，无法彻底解决Au migration问题。

4  结  论

综上，目前RGB芯片解离失效根源是其发生电化学反应。要避免解离发生，芯片端可以由传统垂直结构改为倒装结构，电极由Au材料改为不会发生电化学反应材质（Ti、W等），新材料应用最大挑战就是封装如何焊线。封装端寻找新的、具低膨胀系数、高气密性和高化学稳定性的材料取代现有环氧树脂，进一步提升封装气密性。只有突破上述两个问题的其中一个，芯片解离问题才有机会彻底改善。

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作者简介：谢冰璋（1982—），男，汉族，福建龙岩人，中级工程师，本科，研究方向：LED芯片制程改善与产品性能提升。

收稿日期：2021-04-02