大功率LED燈珠可靠性快速篩選機制研究.pdf

1、半導(dǎo)體照明作為新一代綠色照明光源近年來爆炸性發(fā)展，伴生出嚴(yán)重的產(chǎn)品可靠性問題。而LED生產(chǎn)企業(yè)針對批量化生產(chǎn)中每個出廠產(chǎn)品的可靠性篩選是剔除存在潛在缺陷的早期失效產(chǎn)品，解決批次產(chǎn)品中部分產(chǎn)品長期使用可靠性差問題的關(guān)鍵。LED產(chǎn)品為光、電、熱和機械的綜合體，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在制備工藝過程中產(chǎn)生的缺陷和與之相應(yīng)的早期失效機理種類繁多，造成早期失效機理的研究嚴(yán)重滯后技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致可靠性篩選理論幾乎空白，不能為篩選方法的確定提供足夠的理論支撐。

2、而目前的篩選技術(shù)僅僅能從實驗室中反映產(chǎn)品的局部性能與質(zhì)量，難以適用企業(yè)批量化整個產(chǎn)品的快速篩選要求。因此建立篩選理論、豐富篩選指標(biāo)、構(gòu)建快速、無損的缺陷檢測方法是目前企業(yè)批量LED產(chǎn)品可靠性快速篩選中急需解決的科學(xué)難題。
　　針對可靠性篩選理論幾乎空白的問題，從大功率LED燈珠的整個制備工藝流程出發(fā)，全面系統(tǒng)的分析了燈珠的早期失效機理，明確了芯片、固晶和焊線缺陷是導(dǎo)致燈珠失效的最主要原因，通過這三種缺陷的檢測，可以實現(xiàn)批量LED燈

3、珠可靠性的快速篩選，從而為可靠性的快速篩選奠定了理論基礎(chǔ)。
　　針對篩選指標(biāo)不充分和缺陷檢測方法不適用的問題，從芯片、固晶和焊線三種最主要缺陷的物理特征出發(fā)，提出了基于電、熱動態(tài)特性的快速、無損的缺陷檢測新方法，提取了表征缺陷的特征量，進(jìn)一步通過定制缺陷樣本的加速壽命實驗確定了合理的篩選指標(biāo)體系。
　　①構(gòu)建了交流小信號和直流結(jié)合(AC-IV法)的芯片缺陷診斷模型，從模型中提取反偏電導(dǎo)、理想因子和串聯(lián)電阻三個特征量來表征和檢

4、測LED芯片內(nèi)在和表面缺陷，進(jìn)一步制備了不同芯片缺陷特征的LED樣本，通過提取的缺陷樣本和正常樣本中三個特征量的差異，表明了AC-IV法可以用于LED芯片缺陷的快速無損檢測。
　　②構(gòu)建了基于時域反射法(TDR)的焊點缺陷診斷模型，分析了不同頻率、不同缺陷尺寸對其焊點阻抗的影響，表明可以通過測量焊點的阻抗實現(xiàn)焊點缺陷的檢測。進(jìn)一步利用時域反射法（TDR）來表征 LED燈珠電傳輸通道（引腳-焊點-金線-焊點-芯片-焊點-金線-焊點-

5、引腳）中焊點的阻抗特征，并建立了基于有限元的燈珠和空洞、分層焊點缺陷TDR仿真模型。制備了焊點污染、虛焊、偏焊的焊點缺陷樣本，利用設(shè)計的 LED高頻夾具和搭建的 TDR測試系統(tǒng)完成了不同焊點缺陷樣本和正常樣本的 TDR測試，理論和實驗獲得的 TDR信號共同表明缺陷樣本和正常樣本在焊點位置處的阻抗特性存在明顯差異，從而論證了時域反射法(TDR)可以實現(xiàn)焊點缺陷的快速無損檢測。
　?、坩槍鹘y(tǒng)熱瞬態(tài)測試需要貼附冷板帶來的費時、一致性差

6、以及樣品重復(fù)使用需清洗的問題，提出了無需冷板的基于熱瞬態(tài)測試的固晶層缺陷診斷方法，構(gòu)建了三維熱瞬態(tài)理論模型和Co mso l有限元熱瞬態(tài)仿真模型，利用時間常數(shù)譜方法來表征三維熱傳導(dǎo)路徑中各層結(jié)構(gòu)的熱學(xué)特性。并分別獲得了瞬態(tài)結(jié)溫響應(yīng)變換而來的絕對熱阻時間常數(shù)譜和歸一化瞬態(tài)電壓響應(yīng)變換的相對熱阻時間常數(shù)譜。提取了固晶層對應(yīng)的峰值特性（峰值為熱阻，峰值位置為熱時間常數(shù)）作為表征和缺陷檢測的特征量。進(jìn)一步制備了多膠和少膠兩種不同固晶層缺陷的大功

7、率LED樣本，通過熱瞬態(tài)實驗計算獲得不同固晶缺陷樣本的時間常數(shù)譜，理論和實驗共同表明缺陷樣本和正常樣本在絕對熱阻和相對熱阻時間常數(shù)譜中固晶層位置處的峰值特征有明顯差異，從而論證了基于熱瞬態(tài)的絕對熱阻和相對熱阻時間常數(shù)譜均可以用于固晶缺陷的快速無損檢測。相比于傳統(tǒng)貼附冷板的檢測方法，無需冷板的基于絕對熱阻常數(shù)譜的檢測方式操作簡單、省時且對樣本無污染，更進(jìn)一步的基于相對熱阻時間常數(shù)譜方法不需要進(jìn)行電壓溫度系數(shù) K系數(shù)的標(biāo)定以及熱耗散功耗的測

8、量，可以實現(xiàn)更快速、便捷的固晶層缺陷檢測。
　?、艽罱薒ED燈珠加速壽命試驗系統(tǒng)以驗證制備的缺陷樣本和正常樣本的可靠性差異，不同樣本的長期光衰實驗表明芯片缺陷、固晶缺陷和焊點缺陷樣本壽命均比正常樣本的壽命短，從而從實驗論證了缺陷是導(dǎo)致燈珠可靠性變差和形成早期失效的根源，并結(jié)合基于動態(tài)特性的缺陷檢測方法并從中提取了反偏電導(dǎo)、串聯(lián)電阻、理想因子、TDR焊點阻抗、時間常數(shù)譜中固晶層熱阻和熱時間常數(shù)作為篩選指標(biāo)，從而建立了批量LED燈珠