Package，
櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶Test and Equipment
doi：10.3969/j.issn.1003－353x.2011.03.015
LED典型失效机理
肖诗满，彭泽亚，李少平
（工业和信息化部电子第五研究所，广州510610）
摘要：鉴于LED芯片尺寸较小，散热和成本的压力，LED封装难度很大，暴露出来的可靠性问题也最多。LED失效后，往往能够通过电参数测试、内部形貌分析、剖面检查、SEM检查等方法暴露失效现象、分析出失效机理，最终提出改进意见，提高器件的良品率。根据失效分析实例剖析了LED典型失效机理：LED芯片缺陷和腐蚀；LED芯片粘结用导电胶腐蚀、使用不当导致开路或短路；LED芯片金丝键合损伤；LED封装结构设计不当，导致机械应力集中损伤芯片；LED器件使用不当———过流烧毁、ESD损伤、焊接不良或焊料迁移。并分别提出了相应的改进建议。
关键词：LED；失效分析；失效机理；导电胶；键合；腐蚀
中图分类号：TN312.8；TN306文献标识码：A文章编号：1003－353X（2011）03－0242－05
Typical Failure Mechanism of LEDs
Xiao Shiman，Peng Zeya，Li Shaoping
（The5th Electronics Research Institute of Ministry of Industry and Information Technology，Guangzhou510610，China）Abstract：Because the LED size is only a few millimeters，and the requirements for the cost and cooling are higher，the LED packaging is more difficult.Thus the failure of LED package is the most common.The electrical parameter testing，internal visual，section inspection and SEM inspection are all helpful to find the failure phenomenon and conclude the failure mechanism.Then the solutions to improve the yield rate were found out．The failure mechanisms were analyzed，such as the defects and erosion of the LED chip；the erosion and misuse of electrically conductive adhesives（ECA）；the defects of gold wire bonding；the defects of package structure；the misuse of LED device，including over current，ESD injury，poor soldering，emission of soldering flux.And the advice were brought forward correspondingly.
Key words：LED；failure analysis；failure mechanism；electrically conductive adhesives （ECA）；wire bonding；erosion
EEACC：4260D；0170N
0引言
在提倡环保和节能的世界大环境下，LED照
明呈现出于一种蓬勃发展的势头。LED二极管发
光原理是pn结加上正向电压时，导带电子和价带
空穴复合释放出一定能量，从而发光。LED器件
具有节能、环保、安全、可靠等优势。LED器件
在通信、仪器仪表、照明、显示等领域获得广泛应
用［1－2］。现在摆在业界面前的问题是：如何提高
LED产品可靠性，这也是业界的难题。但目前对
于LED器件的可靠性问题研究很少，可以查阅的
资料也有限。由于LED芯片尺寸小，散热和成本
要求高，LED器件封装难度很大，LED封装失效
也最多；其次LED器件使用不当问题也比较多。
通过对失效LED器件的分析，本文介绍了几种关
于LED内部芯片、导电胶、键合、LED使用、
LED焊接等方面的典型失效机理。
肖诗满等：LED
櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶
典型失效机理
1芯片缺陷
失效LED表现为正向压降（V f）增大。电测
过程中发现，其正向压降增大，并且随着正向电压
的增加，样品仍能发光。推测LED内部存在电连
接不良。固封、研磨LED样品后，SEM观察到金
属化层从LED芯片上开裂，而不是键合丝与金属
化层之间开裂。这说明样品正向压降的增大是由于
芯片与其负极金属化层之间开裂导致，见图1。可
能原因是在淀积金属化之前，氧化层受到玷污，或
者水汽控制不佳，导致金属化层与其下的氧化层之
间粘附不良。这种失效属于芯片本身制程工艺过程
存在缺陷，而与封装工艺无关。
2LED芯片腐蚀
当LED芯片表面受到粘污，往往会在LED电
极之间引入较大的漏电流。这种漏电流一般能够通
过环境试验进行验证：在烘烤后会有减小趋势，进
行潮热试验漏电流又能恢复。图2就是在将LED
样品表面的透明灌封料减薄后，观察到LED芯片
上有黑色多余物。将芯片开封出来后进行扫描电子
显微镜分析，发光二极管处内键合点表面与键合区
的黑色附着物为腐蚀生成物，含有异常元素
Na和Cl。
图2芯片表面腐蚀物
Fig.2Corrosive on the LED
3与导电胶有关的失效机理
背面有电极的LED芯片往往通过导电胶进行
粘接，作为LED的一个电极（背面没有电极的
LED则可以采用其他不导电的胶进行粘接，两个
电极均采用键合进行电学连接）。导电胶一般由预
聚体、稀释剂、交联剂、催化剂、金属粉末以及其
他的添加剂组成。导电胶的力学性能和粘接性能主
要由预聚体决定。导电填料有碳、金属（银、金、
铜、镍等）、金属氧化物三大类［3－4］。
导电胶对于储存、使用都有严格的规定，如：
必须储存在低温环境中；必须在一定时间内使用
完，没有使用完的不能继续使用；超过保质期不能
使用；严格控制固化温度和固化时间；环境湿度要
有严格控制，基板等必须保持干燥，否则导电胶易
于潮解，引起固化不良；基板等粘接界面必须保持
清洁无污染等。若采用导电银浆还需要防范银迁
移，以免导电电阻增加、形成额外的漏电通道。
导电胶粘接最容易产生的问题是粘接不良，导
致导电胶与芯片或引线架开裂，最终LED工作不
稳定、串联电阻增大、击穿电压加大，甚至开路。
对器件进行温度冲击这些现象会加深或减小，对其
施加机械压力可能恢复正常，并可以多次复现。这
种导电胶开裂的失效现象往往与封装时银浆的正确
使用、各种封装材料之间的热膨胀系数匹配、芯片
粘接面和基板表面的洁净度有很大关系。
图3就是导电胶与底座粘接界面分层的例子。
测试发现LED正向导通压降有增大的现象，固封
研磨后电镜观察发现导电胶和引脚连接界面存在明
显的分层，芯片与银浆粘接面未见分离界面。
肖诗满等：LED
櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶典型失效机理
银浆也容易受到污染物的腐蚀，导致银浆导电
性能下降。图4则是另一种失效机理：失效LED
芯片的银浆与基板分离，而且分离面的银浆表面附
着一层腐蚀性生成物，EDS分析发现腐蚀性元素
Cl。Cl会腐蚀银浆中的银颗粒，影响银浆的导电
性能，导致银浆的粘接强度下降，最终基板与芯片
之间开路。
LED芯片本身物理尺寸很小，因此在用银浆
粘接和电连接时，若对银浆控制不佳就会引入另一
个失效机理：银浆延伸至芯片表面，产生短路与漏
电。在上板后测试发现LED呈现批次性失效，模
式都是LED两个电极之间有较大的漏电，开封
LED后发现导电胶点胶过多，在芯片粘接时银浆
延伸至芯片表面，与芯片上无钝化层的金布线形成
短路通道（图5）。
图5导电银浆延伸至芯片表面
Fig.5Chart of ECA extending to the top of the die
4键合不良导致LED开路
键合工艺是LED封装时一个很重要的步骤，
键合工艺不良很容易导致芯片损伤、键合丝损伤、
键合丝与芯片或引脚键合强度不够等故障，这些故
障与键合机本身的状态、键合机的参数设置、操作
人员的熟练度等有关。
图6是键合不良导致LED开路失效的例子。
测试发现LED样品开路，X射线下发现样品芯片
上两个金丝键合不一致，制作金相切片发现LED
的键合丝与键合球分离，导致器件开路。从金丝键
合的形状和切片形貌分析，开路与封装工艺有关，
而非在后续的使用、焊接过程中分离。
图6LED金丝键合不良导致开路
Fig.6Open circuit caused by the poor gold bonding
图7则是金丝在内键合点金球附近存在断裂，
引起样品呈现开路或大串连电阻的特性。从图中可
以看出金丝变细、断裂、无过流过热特征，该处灌
封材料也未见空洞等异常，表明金丝变细是在
LED灌封前就存在损伤，即样品键合丝颈缩处异
常是由于键合工艺控制不佳所致。
肖诗满等：LED 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶
典型失效机理
5
封装结构设计不当
LED 芯片成分有InGaN ，AlInGaP 和ZnSe 等半导体材料，这些材料往往比Si 芯片更薄、更脆。若封装设计不当，导致内部存在残存应力，这些应力的存在就可能导致器件芯片开裂、功能退化等可靠性问题。
分析的案例也是LED 样品上板后出现大批量的失效。对LED 样品进行失效分析发现：所有发光二极管的芯片都存在有裂纹，并且裂纹位置相同：都位于芯片的右边区域，即靠近阳极引出片右边缘，见图8。裂纹贯穿pn 结，裂纹处pn 耐压严重下降，而且，在潮湿的环境下，pn 结处裂纹漏电增大。裂纹的产生与机械应力有关。结合样品的失效现场信息以及芯片的基板结构、芯片的电连接方式（凸点倒装焊接，而非通常的金丝焊接），分析LED 芯片开裂的原因是：机械应力在LED 芯片的两个电极之间形成相对的剪切力，通过凸点直接作用到LED 芯片上，导致薄且脆的LED 芯片受力开裂。机械应力的产生与热变应力有关。对于这种失效机理，建议对器件的封装进行改进，譬如在芯片与基板之间添加填充料，为芯片提供机械支撑，以及调和基板、铜引出片、芯片之间的热膨胀系数差异导致的机械应力；改进铜引出片的形状以减小热膨胀导致的机械应力。
6
LED 使用不当
6.1
LE D 过流后烧毁
若LED 器件的电流超过器件本身能够承受的极限时，就会烧毁器件（图9）。大电流的来源主要有：外部正向电压过大；LED 特性退化；散热不良导致器件发生热奔。
肖诗满等：LED 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶典型失效机理
6.2
LE D 静电击穿
若LED 器件没有设计静电保护单元时，很容易就受到静电损伤。6.3
LE D 焊接失效
LED 焊接到PCB 板或柔性电路板（FPC ）时，通常也是采用导电胶进行电连接和机械固定。由于LED 的机械尺寸小，必须严格控制点胶位置和点胶量。若导电胶延伸到LED 两电极之间，形成附加导电通道（图10（a ））。这种短路原因可能是：导电银浆涂覆过多；银浆的黏度太小，导致银浆流动性太大。当与基板焊接的银浆定位不准、银浆点胶量不够时，也会导致LED 器件开路（图10（b ））。
6.4
柔性电路板焊料迁移
测试发现柔性板上LED 不亮。由X-RAY 和金相切片分析发现：失效LED 的两个电极与基板之间存在树枝状异物，研磨到相应位置时也发现部分
失效样品的电极与底部基板短接，同时EDS 分析出树枝状异物的主要成分为Sn ，这说明LED 短路（不亮）是由于其电极与基板之间Sn 迁移短路所致。
这些树状异物位于基板的有机物之间，综合分析认为该异物是焊料在粘污或腐蚀性成分和电场的同时作用下，发生了电化学迁移，导致电极之间短路。图11为焊锡迁移导致短路的照片。
7结语
以上从芯片设计、LED 封装（导电胶、键合、结构）、LED 使用（过流、ESD 、焊接）等方面对LED 常见的可靠性问题进行总结，并且提出了针对性的改进措施。希望能为业界解决LED 方面故障提供参考，从而提供LED 器件的良品率和可靠性。致谢
本文中所有案例和图片都来自工业和信息化部电子第五研究所元器件研究分析中心，特此致谢。参考文献：
［1］王声学，吴广宁，蒋伟，等.LED 原理及其照明应用［
J ］.灯与照明，
2006，30（4）：32－35．［2］张楼英，吕广才，杨金红.照明用大功率LED 的封装与
出光［
J ］.2009，11（9）：85－87．［3］倪晓军，梁彤翔.导电胶的研究进展［
J ］.电子元件与材料，
2002，21（4）：1－3．［4］孙欢，虞鑫海，徐永芬.国内外导电胶的发展现状［
J ］.粘接，
2008，29（3）：37－40．（收稿日期：2010－11－16）
作者简介：
肖诗满（1982—），男，湖南浏阳人，硕士，工程师，主要从事电子元器件失效分析、检测等工作。下载本文
