LED芯片核心構(gòu)架是半導(dǎo)體晶片，由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，P型半導(dǎo)體在晶片空穴占主導(dǎo)地位，當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體連接起來(lái)時(shí)，將形成一個(gè)P-N結(jié)。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用在半導(dǎo)體晶片時(shí)，電子將被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子和空穴符合，以光子形式發(fā)出能量，這也是LED芯片發(fā)光的工作原理，光的波長(zhǎng)也是光的顏色，將由P-N結(jié)的材料所決定的。LED芯片主要材料為單晶硅，作為L(zhǎng)ED光源最核心的部件，其質(zhì)量決定著產(chǎn)品的性能及可靠性。任何不當(dāng)使用都可能會(huì)損傷芯片，使得芯片在使用過(guò)程中出現(xiàn)失效。對(duì)于應(yīng)用工程師,芯片失效分析是最棘手的問(wèn)題之一。下面主要對(duì)LED芯片失效進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，供大家參考。
LED芯片特點(diǎn)：
1.是四元西，采用MOVPE工藝制備
2.信賴性好
3.應(yīng)用廣泛
4.安全性高
5.使用壽命長(zhǎng)
主要分類為：
1.MB芯片：金屬粘著芯片，屬于UEC的專利產(chǎn)品
2.GB芯片：粘著結(jié)合芯片，數(shù)據(jù)UEC的專利產(chǎn)品
3.TS芯片：透明襯底芯片，屬于HP的專利產(chǎn)品
4.AS芯片：吸收襯底芯片
LED芯片結(jié)構(gòu)為倒裝結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)
LED芯片重要參數(shù)為：
lf：正向工作電流
VF：正向工作電壓
V-I特性：發(fā)光二級(jí)體的電壓與電流關(guān)系
IV：發(fā)光強(qiáng)度
-90°- +90°：LED芯片的發(fā)光角度
Δλ：光譜半寬度
IFm：最大正向直流電流
VRm：最大反向電壓
Pm：允許功耗
_20220808163658_402.jpg "一文搞懂LED芯片失效和封裝失效的原因分析")
LED光源已出現(xiàn)在傳統(tǒng)照明等領(lǐng)域，但LED光源尚存在很多沒(méi)有解決的問(wèn)題。其中包括一致性較差、成本較高和可靠性差等，其中最主要的問(wèn)題就是穩(wěn)定性和可靠性問(wèn)題。雖然目前預(yù)測(cè)LED光源的壽命超過(guò)5萬(wàn)小時(shí)。但這個(gè)壽命指的是理論壽命，光源在25℃下的使用壽命。在實(shí)際使用過(guò)程中，會(huì)遇到高溫、高濕等惡劣環(huán)境，放大LED光源缺陷，加速材料老化，使LED光源快速失效。
失效模式的物理機(jī)理
LED燈珠是一個(gè)由多個(gè)模塊組成的系統(tǒng)。每個(gè)組成部分的失效都會(huì)引起LED燈珠失效。 從發(fā)光芯片到LED燈珠，失效模式有將近三十種，如表1，LED燈珠的失效模式表所示。這里將LED從組成結(jié)構(gòu)上分為芯片和外部封裝兩部分。 那么， LED失效的模式和物理機(jī)制也分為芯片失效和封裝失效兩種來(lái)進(jìn)行討論。
表1 LED燈珠失效模式
一、引起LED芯片失效的因素主要包括：靜電、電流和溫度。
靜電放電可釋放瞬間超高電壓，給LED芯片帶來(lái)很大的危害，ESD導(dǎo)致的LED芯片失效分為軟失效和硬失效兩種模式。由靜電帶來(lái)的高電壓/電流導(dǎo)致LED芯片短路成為硬失效模式。
LED芯片短路的原因是過(guò)高的電壓使電解質(zhì)破裂，或者過(guò)高的電流密度是芯片中產(chǎn)生電流通路。
靜電釋放稍微低一些的電壓/電流會(huì)導(dǎo)致LED芯片的軟失效。軟失效通常伴隨著芯片反向漏電流的減小，這可能是由于高反向電流使一部分漏電流的路徑消失引起的。
相比于垂直LED芯片，靜電對(duì)水平LED芯片的危害較大。因?yàn)樗絃ED芯片的電極在芯片同一側(cè)，靜電產(chǎn)生的瞬間高電壓更容易使芯片上的電極短路，從而引起LED芯片失效。
大電流也會(huì)帶來(lái)LED芯片的失效：一方面大電流會(huì)帶來(lái)比較高的結(jié)溫；另一方面，具有高動(dòng)力能的電子進(jìn)入了PN結(jié)會(huì)使Mg-H鍵和Ga-N鍵斷裂。
Mg-H鍵的斷裂會(huì)進(jìn)一步激活p層的載流子，使LED芯片在老化開(kāi)始時(shí)有一個(gè)光功率上升階段，而Ga-N鍵的斷裂會(huì)形成氮空位。
氮空位增加了非輻射復(fù)合的可能性，從而解釋了器件的光功率的衰減。氮空位的形成要達(dá)到平衡時(shí)一個(gè)很漫長(zhǎng)的過(guò)程，這是LED芯片緩慢老化的主要原因。
同時(shí)，大電流會(huì)帶來(lái)LED芯片內(nèi)部的電流擁擠，LED芯片內(nèi)的缺陷密度越大，電流擁擠的現(xiàn)象越嚴(yán)重。
過(guò)大的電流密度會(huì)引起金屬的電遷移現(xiàn)象，使得LED芯片失效。另外InGaN發(fā)光二極管在電流和溫度雙重作用下，在有效摻雜的p層中還會(huì)出現(xiàn)很不穩(wěn)定的Mg-H2復(fù)合物。
溫度對(duì)LED芯片的影響主要是使內(nèi)量子效率降低和LED芯片壽命變短。
這是因?yàn)閮?nèi)量子效率是溫度函數(shù)，溫度越高內(nèi)量子效率越低，同時(shí)，溫度對(duì)材料的老化作用會(huì)使歐姆接觸和LED芯片內(nèi)部材料的性能變差。
另外，高的結(jié)溫使得芯片內(nèi)溫度分布不均勻，產(chǎn)生應(yīng)變，從而降低內(nèi)量子效率和芯片的可靠性。熱應(yīng)力大到一定程度，還可能造成LED芯片破裂。
二、引起LED封裝失效的因素主要包括：溫度、濕度和電壓。
目前，研究的最為深入和廣泛的是溫度對(duì)LED封裝可靠性的影響。溫度使LED模塊及系統(tǒng)失效的原因在于以下幾個(gè)方面：
（1）高溫會(huì)使封裝材料降解加快、性能下降；
（2）結(jié)溫對(duì)LED的性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響。過(guò)高的結(jié)溫會(huì)使熒光粉層燒黑碳化，使得LED光效急劇降低或造成災(zāi)難性失效。
另外，由于硅膠和熒光粉顆粒之間的折射率和熱膨脹系數(shù)不匹配，過(guò)高的溫度會(huì)使熒光粉的轉(zhuǎn)換效率下降，并且摻的熒光粉比例越高，光效下降的越厲害；
（3）由于封裝材料之間熱傳導(dǎo)系數(shù)的不匹配，溫度梯度和溫度分布的不均勻，材料內(nèi)部可能產(chǎn)生裂紋或者在材料之間界面產(chǎn)生脫層。
這些裂紋及脫層都會(huì)引起光效下降，芯片、熒光粉層之間的脫層可使取光效率下降，熒光粉層與灌封硅膠之間的脫層最高可使取光效率下降20%以上。
硅膠與基板之間的脫層甚至有可能導(dǎo)致金線斷裂，造成災(zāi)難性失效。
通過(guò)有關(guān)高濕環(huán)境實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，濕氣的侵入不但使得LED光效下降，而且有可能導(dǎo)致LED的災(zāi)難性失效。
通過(guò)85℃/ 85%RH高溫高濕可靠性加速實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，濕氣在分層缺陷的形成中起著重要的作用，分層現(xiàn)象的產(chǎn)生使得LED的光效下降，不同芯片表面粗糙不同導(dǎo)致了不同的失效模式。
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