LED芯片出现暗裂与漏电的主要原因是什么?
现在国际上主流的LED芯片厂商,虽然实验室研发已到达较高的水平,但是产业化的研究水平依然底下。
LED芯片出现暗裂(隐裂)与漏电的主要原因可归结为以下几个方面:
一、 LED暗裂(隐裂)的主要原因
-
机械应力损伤:
- 生产/封装过程冲击: 在芯片切割、分选、固晶(Die Attach)、焊线(Wire Bonding)或模块组装过程中,设备操作不当(如取放力过大、顶针压力不当)、意外碰撞或振动,导致芯片内部产生肉眼难以察觉的微裂纹。
- 外部冲击与振动: 运输、安装或使用过程中受到外力撞击或剧烈振动。
-
热应力:
- 温度循环变化: 工作时LED反复经历通断电导致的温度剧烈变化(热膨胀/冷收缩),当芯片、支架、固晶材料之间的热膨胀系数不匹配时,会产生剪切应力,长期积累导致微裂纹。
- 局部过热: 固晶层空洞、散热不良或电流分布不均导致芯片局部温度过高,产生热应力集中点。
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材料与结构应力:
- 晶格缺陷与应力集中: 外延生长或芯片制造过程中残留的晶格缺陷、位错或应力集中区域,成为裂纹萌发的起点。
- 芯片结构设计: 如沟槽、台面等刻蚀结构边缘应力集中,易在应力作用下开裂。
二、 LED漏电的主要原因
-
直接由暗裂引起:
- 裂缝延伸至PN结: 暗裂若扩展到发光层或耗尽区,会破坏PN结完整性,形成异常的电流泄漏通道。
- 裂缝导致电极短路: 裂纹可能使正负电极间绝缘失效,形成导电通道。
-
制造过程缺陷:
- 外延层缺陷: 晶体生长不均匀、位错、杂质污染(如金属离子),在PN结边缘形成漏电路径。
- 刻蚀/沉积损伤: 台面刻蚀或透明电极沉积等工艺损伤结区。
- 芯片边缘缺陷: 切割造成的崩边、损伤未处理干净,导致边缘漏电。
-
电过应力:
- 静电放电: ESD事件产生的瞬间高压/大电流直接击穿结区或造成永久性损伤,形成漏电点。
- 过电流冲击: 电路异常(如驱动电源浪涌)导致局部过热和材料损伤。
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化学腐蚀/污染:
- 封装密封失效: 水汽/污染物侵入腐蚀芯片表面或电极(如银离子迁移),破坏绝缘或形成导电细丝(CAF)。
- 焊接/封装材料腐蚀: 含卤素/硫的有机物释放腐蚀性气体(如环氧树脂分解的硫、氯离子),腐蚀金属电极或钝化层。
-
材料退化:
- 长期高温老化: PN结附近的材料在长期高温下发生不可逆退化或离子迁移。
深层根源总结表
| 失效类型 | 主要原因 | 典型影响场景 |
|---|---|---|
| 暗裂 | 生产过程的机械冲击 | 分拣、固晶、焊线、组装工序 |
| 热循环应力 (CTE不匹配) | 灯具开关频繁、散热设计不良 | |
| 材料内部缺陷/应力集中 | 外延缺陷、结构薄弱区域 | |
| 漏电 | 暗裂延伸至PN结区域 | 伴随暗裂出现电性能异常 |
| 制造缺陷 (外延层/边缘损伤) | 低良率批次,初期失效 | |
| 静电放电损伤 | 无ESD防护的生产/使用环节 | |
| 化学腐蚀/封装密封失效 | 潮湿环境使用、低质封装材料 | |
| 长期高温老化 | 高功率/散热不足的长期工作灯具 |
重要影响路径
应力→暗裂形成→漏电通道→性能劣化
机械或热应力诱发芯片内部暗裂 → 裂纹延伸破坏PN结结构 → 形成非辐射复合通道 → 反向漏电流增加 → 正向电压异常升高 → 亮度下降 → 最终完全失效。
改善方向建议
- 优化工艺:减少生产中的机械损伤,精细控制固晶/焊线参数
- 材料匹配:选用热膨胀系数(CTE)适配的封装材料
- 静电防护:强化ESD管控(接地/离子风机/防静电包装)
- 结构设计:优化芯片边缘结构和切割工艺
- 质量控制:加强外延缺陷检测和芯片分选
这些因素往往相互关联,如机械应力直接导致暗裂,进而引发漏电;热应力和材料缺陷则会同时加剧两种问题。因此控制关键制程应力、保障材料质量是预防的核心。
如果有具体生产环节的问题或失效样品分析需求,可以进一步提供信息做针对性诊断。
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