GaN 基白光LED 正向电压增大失效机理分析

曾友华

（厦门华联电子股份有限公司，福建 厦门 361008）

0 引言

发光二极器（LED：light-emitting diode）显示器是一种数字显示和（或）功能显示的器件，广泛地应用在空调、洗衣机、冰箱和电磁炉等家用电器和仪器仪表上显示运行状态。随着白光LED 技术的发展与成熟，白光LED 显示器受到市场的青睐，市场占比越来越高。白光LED 显示器有多种封装方案。利用0603 和3014 等封装规格的白光LED作为灯源的空封方案是最普遍的。作为产品基本构成单元的白光LED，其质量的好坏直接影响着白光LED 显示器的可靠性，在实际应用中，特别是在高温高湿工作环境下，常常发生因白光LED 在短时间内就失效导致成品出现功能异常甚至完全失效的情况。使得LED 显示器生产厂家及用户遭受了严重的经济损失和品牌形象受损。

从LED 显示器的可靠性角度考虑，为了防范因白光LED 质量原因而造成LED 显示器失效，在选型时，对白光LED 开展可靠性试验评估至关重要。在开展LED 显示器用白光LED 选型工作时，我们发现高温高湿通电试验后，产品出现正向电压增大现象。本文对此现象进行了研究，分析了导致白光LED 发生正向电压增大的机理，并提出控制方案以减少此类现象的发生。

1 实验

实验灯源为某公司生产的0603 封装的白光表面贴装器件（SMD：Swrface Mounted Devices）LED，内部的芯片为三安生产的S-12EBAUD-D，芯片材料为InGaN/Al2O3（蓝宝石）。为了便于试验，用此灯源制作成空封结构的LED 显示器，在合格品中抽取6 只作为实验样本，在实验前，采用测试仪测试每个实验样品在20 mA/LED 下的正向电压、初始发光强度和反向电压5 V 下的漏电流，并按编号做好记录，然后，在温度（85±5）℃和湿度（85±3）%环境下，对产品的每个LED 通电10 mA，试验240 h。

试验完成后，样品在标准大气压下恢复到常温。采用测试仪测试实验样品在20 mA/LED 下的正向电压、发光强度和反向电压5 V 下的漏电流。与试验前对比，显示器的窗口的发光强度衰减在10.3%～16.7%之间，符合≤30%的标准要求，漏电流无明显变化，均小于1 μA，符合标准要求，但部分LED 的正向电压明显增大异常，测试数据如表1 所示。

表1 实验数据

在光学显微镜下观察电压异常样品，发现荧光粉及封装胶均未碳化，与正常样品无明显区别。为了作进一步的分析，对SMD LED 样品进行解剖，去除密封胶和荧光粉，采用高倍光学显微镜对芯片表面进行观察，采用扫描电镜（SEM）对芯片进行微观形貌观察，能谱分析仪进行样品微区成分分析。

2 结果与讨论

2.1 芯片表面观察

对SMD LED 异常样品进行解剖，去除封装胶和荧光粉后，在高倍光学显微镜下观察芯片表面。虽然在解剖过程中小心谨慎，但是，# 4-1 和# 4-2 芯片表面的P 电极还是在解剖过程脱落，并观察到P 电极底部存在疑似烧伤的现象；# 1-1、# 2-1、# 6-3 和# 4-3 芯片表面的P 电极周围均存在疑似烧伤异常。其中具有代表性的# 1-1 芯片和#4-2 芯片的电子显微镜照片如图1 所示。

2.2 微区形貌观察

在扫描电镜下观察异常样品芯片，异常样品的芯片表面P 电极周围部分区域粗糙，可见颗粒状物质；电极脱落的异常样品的芯片表面P 电极脱落处部分区域呈现粗糙状，可见颗粒状物质。# 1-1 芯片和# 4-2 芯片的SEM 图像如图2 所示。脱落的P 电极底部黏附有颗粒状物质，其他未见明显异常，# 4-2 芯片脱落的P 电极底部如图3 所示。BT 板上的焊盘也无明显异常，# 4-2 样品装配芯片的焊盘的SEM 图像如图4 所示。

图2 LED 芯片的SEM 照片

图3 脱落P 电极底部的SEM 照片

图4 焊盘的SEM 照片

2.3 微区成分分析

从LED 芯片制造商和LED 封装厂获知，实验所用样品芯片电极为Cr/Al/Ti/Pt/Ti/Pt/Au 多层金属电极结构，其中金属Cr 为多层金属电极结构的第一层在电极的底部，与芯片表面的GaN 接触，具有较强粘附性；反射率高的Al 为第二层，作为反射镜，把LED 射到电极上的光线再反射回去以减弱电极的吸光效应，增加光提取效率[1]。透明导电薄膜的主要成分是氧化铟（In2O3）。钝化层的主要成分是二氧化硅（SiO2）。芯片的结构示意图如图5 所示。焊线为金线，所用BT 板为镀银板。封装胶为环氧树脂，荧光粉为YAG 稀土钇铝石榴石型荧光粉。

图5 芯片结构示意图

对异常样品进行EDS 检测分析，能谱分析图如图6～9 所示。能谱分析图中均出现了C 和O 元素谱线，但因受吸附在样品表面的空气中的油脂等污染物和EDS 仪器某些部件镀碳等因素的影响，出现的C、O 元素不一定是被检测物的构成元素，是否是被检测物本身含有的元素需做具体分析。能谱分析图6 中显示在芯片表面P 电极附近的烧伤位置检测到N、Ga、O、Si 和In 等元素，与芯片的外延层P-GaN、钝化层和透明导电薄膜层的成分信息相同；从能谱分析图6 中可见在P 电极附近的烧伤位置本来应该不存在的Au、Al 和Cr 等金属元素谱线；在P 电极附近的烧伤位置还检测到Cl 元素，此元素不是芯片的构成元素，应为异常元素；在P 电极脱落的位置检测到Au 和Al 元素。从能谱分析图7～9 可知，脱落P 电极底部、金属引线和焊盘均正常，没有检测到异常元素。电极的组成材料由图6～7 给出的EDS 的成分分析结果可以得到印证。

图6 LED 芯片P 电极区域和附近EDS 分析

图7 脱落的P 电极底部EDS 分析

图8 打线EDS 分析

图9 支架EDS 分析

2.4 失效机制分析

电迁移是一种在电场和温度作用下的物质传输现象[2-5]。对于工作在高温高湿环境下的LED 显示器，其封装为空封，而所用0603 灯珠也是湿度敏感器件，为非气密性SMD 封装，无法将水汽完全隔绝，水汽进入电极层，而电极层中铝和铬为较活泼的元素，容易电解成金属离子，在电场和温度作用下，更容易发生电迁移现象。在正电场的作用下，铝和铬等易电迁移的金属离子随着电场先迁移，向芯片的表面游离，导致出现金属孔洞现象和金属颗粒堆积现象[5]，使局部电阻增大，温度升高，进而引发金等相对电迁移性差一些的金属的电迁移。正如能谱分析图6 和图2 中的SEM 图像所示，P 电极脱落处和P 电极附近检测到金属元素，观察到颗粒状物质。由于P 电极中金属的电迁移，破坏P 电极与外延层的欧姆接触，电阻增大，造成正向电压升高现象。由于局部电阻增大，从而局部发热严重，容易发生烧伤现象，正如图1 所示。

电极层中含铝，铝是一种活性较高的金属，既能溶于酸又能溶于碱。纯铝在pH=4～9 的水溶液中，与溶液中的氧有强烈的亲合力，生产保护性较高的水合氧化铝膜（Al（OH）2），抑制铝的腐蚀。但是当溶液中存在侵蚀性离子如Cl－、Br－和F－等阴离子时，阴离子能在氧化铝膜较薄或内部缺陷处发生点蚀，造成氧化铝膜破坏，使铝金属层活化，最终导致铝的腐蚀[6-7]。从能谱分析图6 可见，电极附近存在氯（Cl）的渗入。电迁移此处的铝在水和氯化物环境中，容易发生电化学腐蚀，形成麻点，生成Al（OH）Cl2型碱式氯化物盐腐蚀产物[6-8]，其化学反应过程如下：

Al 表面快速电离生成Al3+，式（1）～（2）总反应为：

氯离子对铝不断电化学侵蚀，形成无数个腐蚀微电池，生成Al（OH）2Cl：

由于在试验中，对LED 施加的是正向电压，芯片P 电极处于正电场，N 电极处于负电场中，在电场的作用下，氯离子向P 电极附近集中，因此，P 电极附近的铝容易出现被腐蚀现象。正如我们看到的一样，芯片表面P 电极附近部分区域呈现粗糙状，而N 电极处及附近未见明显的异常。这点在我们安排的另外一项反向电压试验中LED 出现N 电极附近被腐蚀，P 电极处及附近未见明显异常可以得到印证。如图10 所示。由于LED 芯片的P电极附近被腐蚀，也会导致P 电极与LED 芯片的外延层之间的电流通道上的电阻增加，即表现为LED 的正向电压增大异常。如果增加试验时间，随着Cl 的进一步渗入，电极处也将会出现被腐蚀的现象，出现电极脱落而开路不良。

图10 不良品SEM 图像

3 结束语

本文对白光LED 显示器在高温高湿通电240 h试验后出现正向电压增大异常的原因进行了探索。对产品使用的GaN 基白光LED 进行了解剖，用SEM 对微区进行形貌表征后发现，退化样品芯片表面P 电极脱落处和P 电极附近有颗粒状物质生成，并且部分区域存在烧伤异常；利用EDS 对P电极脱落处和P 电极附近进行成分分析后发现，在P 电极处生成的颗粒为Al、Cr 和Au 等金属颗粒，在P 电极附近烧伤位置存在异常元素氯。分析认为，LED 正向电压增大的主要原因是：P 电极中的Al、Cr 和Au 等金属发生了电迁移以及电迁移至P 电极附近的铝发生了电化学腐蚀，导致P 电极与LED 芯片的外延层之间的电流通道上的电阻增加，表现为LED 的正向电压增大。

因此，在为LED 显示器选型GaN 基白光LED灯源时，建议做以下工作：

a）要求LED 封装厂提供封装材料的环保报告，或提交封装材料的无氯等腐蚀性元素的认证报告，确保使用的封装材料不含有超标的氯等腐蚀性元素；

b）通过高温高湿通电试验验证灯源的封装气密性。