LED芯片发光层碳化失效分析

摘要： 发光层碳化是LED芯片内部一种严重且不可逆的失效模式，表现为芯片发光区域出现局部或整体的黑化、烧毁现象，并伴随光输出骤降或完全失效。本文系统分析了发光层碳化失效的表征现象、产生机理、主要诱因及关键分析手段，并提出了针对性的预防与改进措施。该失效通常由局部过热引发有机材料热解碳化所致，与电流密度异常、热管理失效、材料缺陷及工艺异常密切相关。

一、 失效现象与表征

  1. 外观检查：
    • 宏观： 封装体内部（通过透明胶体或透镜观察）或直接观察芯片表面，可见发光区域（通常对应量子阱区域）出现明显黑点、黑斑、烧焦痕迹或整体变黑（图1）。严重时伴随金属电极熔融、烧毁或封装材料碳化变色。
    • 微观： 借助光学显微镜（OM）或扫描电子显微镜（SEM）观察芯片解理面或失效点，可见发光层（多量子阱，MQW）区域存在黑色或深棕色物质沉积，结构破坏，甚至出现空洞、熔融。
  2. 光电性能：
    • 正向电压（Vf）可能异常升高（接触劣化）或降低（短路通道形成）。
    • 光通量（Luminous Flux）或光功率（Optical Power）显著下降或完全丧失。
    • 反向漏电流（Ir）可能显著增大。
    • 电致发光（EL）成像显示局部或整体无光或暗区，与黑化区域高度吻合。
  3. 材料成分分析：
    • 能谱分析（EDS）： 对黑化区域进行点扫或面扫，检测到异常高的碳（C）元素信号，远高于正常区域的背景碳含量（图2）。可能伴随氧（O）元素信号升高（氧化）。
    • X射线光电子能谱（XPS）： 深度剖析黑化区域的化学成分，证实存在石墨化碳或非晶碳特征峰，证明碳元素以碳单质或富碳化合物形式存在。
    • 拉曼光谱（Raman）： 检测到明显的D峰（~1350 cm⁻¹）和G峰（~1580 cm⁻¹），证实黑化物质为石墨化碳或无定形碳，是典型有机物热解碳化的特征。
 

二、 失效机理分析

发光层碳化的核心机理是局部过热导致发光层有机材料发生不可逆的热分解反应，析出碳单质并沉积在失效点。具体过程如下：

  1. 局部过热形成： 在芯片内部特定微小区域，由于某种原因（见下文诱因）产生远高于芯片平均温度的“热点”（Hot Spot）。该区域温度可能达到甚至超过发光层材料（特别是量子阱中的有机传输层或掺杂剂）的热分解温度（通常在300°C - 500°C以上）。
  2. 材料热解与碳化： 在高温缺氧的密闭环境下（芯片内部），过热区域的有机材料（如空穴传输材料、电子传输材料、掺杂剂、残留光刻胶或溶剂等）无法充分燃烧氧化，而是发生复杂的裂解、脱氢、缩聚等反应，最终生成固态的碳单质（石墨化碳、无定形碳）沉积在发光层及周围区域。
  3. 结构破坏与性能劣化：
    • 碳沉积物破坏了发光层（MQW）的晶体结构和载流子复合通道。
    • 碳化区域形成电学短路路径或高阻路径，扰乱正常电流分布。
    • 碳化点吸收光，显著降低光提取效率。
    • 碳化物质可能扩散或引起连锁反应，扩大失效区域。
 

三、 主要诱因分析

导致局部过热进而引发碳化的根本原因可归纳为以下几类：

  1. 电流密度异常：
    • 静电放电（ESD）或电过应力（EOS）： 瞬间大电流脉冲在芯片局部（如缺陷点、边缘）集中，产生焦耳热导致瞬间高温碳化。失效点常位于电极边缘或芯片角落。
    • 驱动电流过大（过驱动）： 长期工作在超出设计规格的电流下，整体结温升高，同时电流拥挤效应加剧局部过热风险。
    • 电流分布不均： 芯片设计或工艺缺陷（如电极接触不良、P/N层电阻不均匀）导致电流在某些区域（如电极下方、芯片中心）过度集中。
  2. 热管理失效：
    • 散热路径受阻： 芯片与基板（Submount）、热沉（Heat Sink）间的焊接空洞、导热胶/脂失效、基板导热不良、外部散热器接触不良或散热能力不足，导致芯片整体结温（Tj）持续过高。
    • 局部热点加剧： 散热不良不仅提高平均结温，更会显著放大芯片内部因电流分布不均或材料缺陷造成的局部温差。
  3. 材料与结构缺陷：
    • 外延缺陷： 位错、层错、V坑等晶体缺陷处电阻可能异常，易成为电流集中点和热点。
    • 金属电极缺陷： 电极（P/N电极）与半导体层接触电阻不均匀、电极过薄、金属迁移等导致局部电流密度过大。
    • 工艺污染/残留： 光刻胶残留、金属污染、有机物污染等杂质在发光层附近形成漏电通道或高阻点，产生额外焦耳热。
    • 芯片结构设计缺陷： 电流扩展层（如ITO）电阻过大或厚度不均，导致电流扩展不良。
  4. 封装与制程问题：
    • 键合应力： 引线键合或倒装焊（Flip-Chip）产生的机械应力损伤芯片，形成潜在失效点。
    • 封装材料热失配应力： 封装材料（胶体、基板）与芯片热膨胀系数（CTE）不匹配，在温度循环中产生应力，可能导致微裂纹或界面分层，影响散热或形成热点。
    • 回流焊温度过高或时间过长： 超过芯片耐受极限，导致内部材料提前劣化。
 

四、 关键分析手段

  1. 非破坏性分析：
    • 光学显微镜（OM）： 初步观察失效位置和形态。
    • X射线透视（X-Ray）： 检查芯片内部结构、引线键合、焊接空洞等。
    • 电致发光（EL）/光致发光（PL）成像： 直观定位发光失效区域（暗区）。
    • 红外热成像（IR Thermography）： （在特定条件下）捕捉工作状态下的热点分布。
  2. 破坏性物理分析（DPA）：
    • 开封（Decapsulation）： 去除封装材料，暴露芯片。
    • 光学显微镜/电子显微镜（SEM）： 高倍观察失效点微观形貌（碳化、熔融、空洞等）。
    • 聚焦离子束（FIB）制样： 制备失效点的横截面样品。
    • 扫描电子显微镜（SEM）： 观察横截面形貌，定位碳化层深度。
    • 能谱分析（EDS）： （结合SEM）分析失效点区域元素成分，确认高碳含量。
    • 透射电子显微镜（TEM）： （必要时）超高分辨率观察碳化区域的晶体结构、界面状态。
    • X射线光电子能谱（XPS）/俄歇电子能谱（AES）： 分析碳化区域的元素化学态。
    • 拉曼光谱（Raman）： 确认碳化物质的类型（石墨化程度）。
 

五、 预防与改进措施

  1. 优化芯片设计与工艺：
    • 电流扩展设计： 优化电流扩展层（如ITO）的厚度、方阻和均匀性。
    • 电极优化： 确保电极接触良好、均匀，厚度和形状设计合理以减少电流拥挤。
    • 外延质量提升： 降低位错、V坑等缺陷密度。
    • 严格工艺控制： 减少污染，确保光刻、刻蚀、蒸镀/溅射等关键工艺的均匀性和洁净度。
  2. 强化热管理：
    • 优化封装结构： 选用高导热基板材料（如陶瓷、金属基复合材料），优化热通路设计。
    • 改善界面导热： 使用高导热系数的焊接材料（如AuSn、SAC）、导热胶/脂，并确保焊接/贴合质量（减少空洞）。
    • 外部散热设计： 确保灯具或系统的散热器设计合理，风道畅通，热界面材料有效。
  3. 严格电气控制：
    • ESD/EOS防护： 在电路设计和生产、使用各环节加强静电防护，驱动电路增加过压过流保护。
    • 合理驱动： 严格按照芯片规格书设定工作电流，避免过驱动。
    • 驱动电路设计： 采用恒流驱动，确保电流稳定。
  4. 提升封装可靠性：
    • 材料匹配： 选用CTE匹配性好的封装材料，减少热应力。
    • 优化键合工艺： 控制引线键合或倒装焊的参数，减少机械应力损伤。
    • 控制回流焊曲线： 避免过高的峰值温度和过长的回流时间。
  5. 加强质量管控与失效分析：
    • 在线监控： 对关键工艺参数（如外延片质量、电极电阻、焊接空洞率）进行严格监控。
    • 可靠性测试： 进行加速老化试验（如高温工作寿命HTOL、温度循环TC）评估长期可靠性，并分析失效样品。
    • 建立FA能力： 建立完善的失效分析流程和能力，对异常品进行根因分析，反馈改进设计、工艺和应用。
 

六、 结论

LED芯片发光层碳化是一种由局部过热引发的致命性失效模式，其本质是有机材料在高温缺氧环境下的热解碳化。该失效与异常的电流密度（ESD/EOS、过驱动、电流不均）、热管理失效（散热不良）、材料/结构缺陷以及工艺/封装问题密切相关。通过综合运用多种分析手段（特别是显微观察和碳元素成分确认）可以准确诊断。预防碳化失效需从芯片设计（电流扩展、电极优化）、工艺控制（降低缺陷、减少污染）、封装散热（优化热通路、材料匹配）以及应用端（合理驱动、ESD防护）进行系统性改进。深入理解碳化机理并建立完善的失效分析反馈机制，是提升LED产品可靠性的关键。

(图1：示意图：正常LED芯片发光区与发生碳化失效区域对比)
(图2：示意图：SEM/EDS分析显示失效点区域碳元素信号显著增强)