1　引　　言

　　可靠性是影響發(fā)光二極管(LED)性能的主要因素。功率型LED 失效的原因主要是發(fā)光芯片的老化和封裝材料性能的退化，結(jié)溫和電流都會加速LED 的老化。在某些條件下長期服役，大功率白光LED 表面會形成一層黑色物質(zhì)，影響光的取出，并帶來產(chǎn)品可靠性的一系列問題。此前已發(fā)現(xiàn)藍(lán)光LED 有同樣的現(xiàn)象發(fā)生，實(shí)驗(yàn)表明大功率藍(lán)光LED 芯片發(fā)出的藍(lán)光會使封裝芯片的環(huán)氧樹脂膠(已固化出現(xiàn)老化的現(xiàn)象，降解后的環(huán)氧樹脂膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，大量的C-O 鍵、C=O 鍵被打開(芯片工作時(shí)產(chǎn)生的高溫會加速這一過程)，形成游離的C、O 原子，最后沉積在芯片和膠水之間的界面上，產(chǎn)生黑區(qū)。

　　目前，白光LED 的主流實(shí)現(xiàn)方式為藍(lán)光芯片加上黃色熒光粉，通過藍(lán)黃光的轉(zhuǎn)化得到白光。熒光層的制作是通過將YAG 熒光粉(由Y2O3、Al2O3 反應(yīng)生成的復(fù)合氧化物)與AB 膠(主要為有機(jī)硅樹脂材料)混合，加入增亮劑、抗沉淀劑等，烘干后涂覆。由于大功率LED 在正常工作情況下結(jié)溫可以高達(dá)100 ℃，而熒光層的熱導(dǎo)率有限，致使熒光粉顆粒溫度會相應(yīng)升高，甚至高于芯片上的結(jié)溫，引起波長的漂移、顏色不純等一系列問題;再加上藍(lán)光長時(shí)間照射，光熱耦合作用不可忽視，使得在芯片與熒光層界面處的情況相對復(fù)雜。有機(jī)硅樹脂相較于環(huán)氧樹脂具有熱穩(wěn)定性好、耐紫外光性強(qiáng)和內(nèi)應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，但以此作為配粉膠后，雖然白光LED 的壽命有了較大提高，但是光衰問題依然存在，而對以有機(jī)硅作為配粉膠的熒光層特性的研究相對缺乏。

　　本文著重于大功率白光LED 表面變黑現(xiàn)象的分析。首先通過對變黑的位置確定和成分分析，判定失效模式，進(jìn)而對引發(fā)失效的因素(包括溫度和光照)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

　　2　失效樣品描述與測試

　　在可靠性實(shí)驗(yàn)中，通常采用加速應(yīng)力的方法，快速有效評價(jià)器件性能。在早期的高溫、大電流和功率循環(huán)等一系列可靠性實(shí)驗(yàn)過程中，部分樣品出現(xiàn)了類似的變黑現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中所使用的樣品是批量生產(chǎn)的，采用了相同的材料和工藝，光電參數(shù)呈現(xiàn)良好的均一性，襯底為SiC材料。失效情況選取以上實(shí)驗(yàn)過程中的一種進(jìn)行分析：5只大功率(1 W)、GaN 基白光LED串聯(lián)后加350mA 工作電流，置于散熱良好的平臺上，入溫箱，設(shè)置溫箱溫度為120 ℃。已知器件熱阻均值10 K/W，則芯片結(jié)溫為130 ℃，并未超過器件工作時(shí)極限溫度140 ℃，經(jīng)過40h后，其中兩只出現(xiàn)變黑現(xiàn)象。外觀檢查發(fā)現(xiàn)，燈杯和灌封膠未出現(xiàn)黃化，光透射率良好，燈杯灌封邊緣膠體呈現(xiàn)熔融跡象，且在靠近電極一側(cè)有燒蝕現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)小洞，可見密封性變差。去除燈杯與灌封膠后，對失效樣品表面進(jìn)行光學(xué)照相，如圖1所示。用萬用表檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，未被黑色物質(zhì)覆蓋的邊緣區(qū)域仍可以發(fā)光。

　　在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分別對變黑與未變黑的樣品進(jìn)行分析測試，采用半導(dǎo)體特性分析儀Agilent4155C 分析電流電壓(I-V)特性，浙江大學(xué)三色的光學(xué)測試系統(tǒng)測試光功率;對樣品進(jìn)行剖面切割制樣，分別使用掃描電鏡SEM(JEOLJSM 6500F)和X 射線能譜分析儀(7000XEDS)觀察形貌和組分分析，確定失效樣品的變黑位置和組成。

圖1 變黑LED 芯片表面的光學(xué)照片