（物理电子学专业论文）大功率白光led的可靠性与热模拟.pdf

摘要 摘要 发光二极管( l e d ) 是一种新型环保发光指示、照明材料，大功率l e d 是 指功率大于1 w 的l e d ，由于体积小、功率大，散热压力大，l e d 芯片结温与 其失效密切相关，且芯片功率超大化，导致目前大功率l e d 的散热越来越成为 制约其发展的瓶颈问题。如何正确地分析其失效原因，从而寻找出应对提前失效 的方法，进行有针对性的结构优化设计，对于推动大功率l e d 在照明领域内的 进一步应用具有重要意义。 本文介绍了l e d 和断裂力学在实际中的应用，解释l e d 可靠性的基本理论 和方法，考虑热导率与散热方式的影响，使用大型有限元软件a n s y s l 0 0 模拟 并分析了大功率l e d 热分布，通过分析不同封装、热沉材料及散热方式对l e d 热分布与最大散热能力的影响，指出解决l e d 散热问题的关键不是寻找高热导 率的材料，而是改变l e d 的散热结构或者散热方式。再从断裂失效的基本原理 出发，详细解释了在微观状态下晶格失配等微缺陷原因引起的失效，并进一步阐 述了如何将该原理应用于本论文所研究的l e d 模型当中；紧接着解释了l e d 芯 片的失效原因，指出其根本的原因来源于内部的原有微缺陷或裂纹的扩展。最后， 通过对格里菲斯判据的介绍，引出对l e d 失效过程的断裂力学分析，通过对s i c 芯片的数值计算，得出了结论。 前人的研究基本上都是通过对l e d 的电性能、光性能，以及失效芯片的微 观分析来推断、阐述l e d 的运行或者寿命情况，只属于宏观认识，过于直观而 不能从根本上对l e d 的失效机理作出微观意义上的解释。而本文通过对l e d 产 品芯片部分采用断裂力学方法研究，通过数值计算，对于芯片可靠性筛选，从断 裂力学的角度指出在选用新的筛选方法时要注意满足热力学性能，注意热匹配 性，不能在可靠性筛选过程放过缺陷，甚至于引入新的缺陷。 广东工业大学工学硕士学位论文 关键词：l e d ；可靠性；断裂力学；缺陷；模拟；失效 n a bs tr a c t a bs t r a c t l e di san e wt y p eo fe n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l yl i g h t e m i t t i n gi n s t r u c t i o n s ， l i g h t i n gm a t e r i a l s a t t r i b u t e dt oav a r i e t yo fa d v a n t a g e s ，i n e x o r a b l y ，i ti ss h o w i n gt h e h u g ep r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n ti nt h ef i e l do fl i g h t i n g h i g h - b r i g h tl e d i st h el e d w h o s ei sg r e a t e rt h a n1wo fp o w e r d u et os m a l ls i z e ，h i g hp o w e r ，i th a sl e dt ot h e r m a l p r o b l e m sw o r s e s i n c et h el e dc h i pj u n c t i o nt e m p e r a t u r ei sc l o s e l yr e l a t e dt oi t s f a i l u r e ，w h i c hm a k e sh i g h p o w e rl e dt h e r m a l c u r r e n ti s s u eh a sb e c o m et h e b o t t l e n e c ko fi t sd e v e l o p m e n t w i t ht h et r e n dt o w a r d sh i g hp o w e r ，h e a tr e m o v a lh a s b e c o m et h em a j o rb o t t l e n e c ki nh b - l e dd e v e l o p m e n t h o wt oc o r r e c t l ya n a l y z et h e r e a s o n sf o ri t sf a i l u r e f u r t h e rt of i n do u tp r o p e rm e a s u r e sa n dm e t h o d st od e a l 、v i t l l f a i l u r e ，a n dt o r e s o r t t ot h em e t h o d so ft a r g e t e ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，w h i c hi s i m p o r t a n tf o rt h ep r o m o t i o no fl e dl i g h t i n ga p p l i c a t i o n f i r s tw ei n t r o d u c e dt h ep r a c t i c a lg e n e r a l l i g h t i n ga p p l i c a t i o n s o ff r a c t u r e m e c h a n i c sa n dl e da p p l i c a t i o n s s u b s e q u e n t l y ，t oc o n s i d e rt h ei m p a c to ft h e r m a l c o n d u c t i v i t ya n dc o o l i n gm o d e ，i ti ss i m u l a t e da n da n a l y s e dh i g h b i g h t n e s sl e d ( h b l e d ) h e a td i s t r i b u t i o nb yu s i n gt h ef i n i t e - v o l u m em e t h o d s o m es i m u l a t i o n sw e r e d o n et oe x p l o r e st h ee f f e c to ft h ed i f f e r e n tp a c k a g e ，h e a ts i n km a t e r i a l sa n dc o o l i n g m o d eo nt h ea b i l i t yo fh bl e dc o o l i n gc a p a c i t y i tw a ss h o w nt h a tt h ek e yt os o l v e t h el e dc o o l i n gp r o b l e mi s n o t1 1 5 【g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t yb e i n gf o u n d ，b u te f f i c i e n t c o o l i n gs t r u c t u r eo rm o d eb e i n gi n v e n t e d t h e nt h eb a s i ct h e o r ya n dm e t h o df o rl e d r e l i a b i l i t yi se x p l a i n e d p a r t i c u l a r l yf r a c t u r em e c h a n i c sm e t h o d si su s e dt oe x p l a i nt h e f a i l u r eo ft h el e d f r o mt h eb a s i cp r i n c i p l e so ff r a c t u r ef a i l u r e ，i nt h em i c r o s t a t e ，t h e i n f l u e n c eo fl a t t i c em i s m a t c hu p o nd e f e c t sg e n e r a t i o nh a sb e e ne x p l a i n e di nd e t a i l i n t h i sp a p e r ，t h i sm e t h o di sf u r t h e re l a b o r a t e dt os t u d yl e dc h i pf a i l u r e t h er e a s o n so f t h ef a i l u r eo fl e dc h i pw e r ee x p l a i n e d t h e ni ti sp o i n t e do u tt h a tt h er o o tc a u s e c o m e sf r o mi t so r i g i n a li n t e r n a ld e f e c t so rm i c r o c r a c k a f t e rt h ei n d u c t i o no fg r i f f i t h c r i t e r i o n ，f r a c t u r em e c h a n i c sa n a l y s i so fl e d f a i l u r ep r o c e s si sb ed e r i v a t e d f i n a l l y ， 广东工业大学工学硕士学位论文 u s i n go fr e l e v a n ts i cc h i pm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sp a r a m e t e r s ，i tc o m et ot h e c o n c l u s i o nb yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n p r e v i o u ss t u d i e sb a s i c a l l yf o c u s e do nt h ea f f e c t i o na m o n gl e d se l e c t r i c a l ， o p t i c a lp r o p e r t i e so rf a i l u r e ，w h i c hc a nd e d u c el e d sw o r ko rl i f es i t u a t i o n t h e ya r e o n l ya w a r eo ft h em a c r o t h i si sam a c r o u n d e r s t a n d i n g b u ti tw a st o oi n t u i t i v et o l e a dt om i c r o s c o p i ce x p l a n a t i o no fl e df a i l u r em e c h a n i s mf u n d a m e n t a l l y s oi nt h i s a r t i c l e ，i ts t u d y sc h i p f a i l u r e b y f r a c t u r e m e c h a n i c s t h r o u g h t h en u m e r i c a l c a l c u l a t i o n ，f r o mt h ep o i n to fv i e wo ff r a c t u r em e c h a n i c s ，t h eu s eo fn e ws c r e e n i n g r e l i a b i l i t ym e t h o d ss h o u l dp a ya t t e n t i o nt o m e e tl e dt h e r m a lp e r f o r m a n c e ，t h e r e l i a b i l i t yo f t h es e l e c t i o np r o c e s sc a nn o tl e td e f e c t so f f , a n de v e nb r i n gi nn e wf l a w s k e y w o r d s ：l e d ；r e l i a b i l i t y ；f r a c t u r em e c h a n i c s ，d e f e c t s ，s i m u l a t i o n ，f a i l u r e i v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担二切相关责任，特此声明。 5 l 论文作者签字： 指导教师签字： 年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 不知从何时起，大街上的红绿灯变成了太阳能供能的l e d ，美丽江畔海岸 也换上了l e d 路灯，霓虹灯、手机光源、精致小巧的手电筒、不需拖着长长电 源线的台灯，以及巨大绚丽的l e d 显示屏，正在向我们宣告一个新的时代的到 来。特别是2 0 0 8 年北京夏季奥运会开幕会上，l e d 在开幕式表演、奥运会场馆、 景观照明、室内外全彩显示屏等方面的广泛应用，为2 0 0 8 北京奥运会增添了绚 丽色彩。人们蓦然发现l e d 时代已近在咫尺。 新一代照明光源半导体l e d ，以传统光源所无法比拟的优点引发了照明产 业技术和应用革命，替代传统照明光源已是大势所趋。 上个世纪下半叶，半导体技术引发的一场微电子革命，催生了微电子工业和 高科技i t 产业，改变了整个世界的面貌。今天，化合物半导体技术的迅猛发展 和不断突破，正孕育着一场新的革命照明革命。 本章作为绪论，将对l e d 的原理、发展历史、工艺及其研究的现状和意义 作出综述。 1 2l e d 发光原理 l e d 是英文l i g h te m i t t i n gd i o d e 的缩写，即发光二极管。 它首先仍然是一个二极管，是由数层很薄的搀杂半导体材料制成，其基本电 学性能都与普通二极管一样，工作时外加正向电压，在正向偏压作用下，n 区多子电子向正方向扩散，进入有源层，p 区多子空穴也向负方向扩散，进 入有源层。进入有源层的电子和空穴由于异质结势垒的作用，而被封闭在 有源层内，就形成了粒子数反转分布。这些在有源层内粒子数反转分布的 电子，经跃迁与空穴复合时，产生自发辐射光( 原理如图1 1 ) 。 l e d 的峰值波长与外延材料的禁带宽度关系： 入= 12 4 0 e g( 1 1 ) e g 为外延材料的禁带宽度 广东i 业大学i 学硕士学位论文 料尼 料屋 图i - 1l e d 的发光原理 f i g1 1l e d l i g h t m i r i n g p r i n c i p l e 几乎所有的颜色的l e d 都可以通过调整材料来获得，图1 2 为材料与l e d 颜色的关系。 l u 警m i n o r u s i 藿冀、u，i m e n s w 。：二二二霉二：善三耄萋； 踹勰： 。五m m _ ；孟r j 丢= ! j = “” c o m ：u n 一l e i 墨匿二画三亘圉i n ”a - r e o f i g u r e i 。2 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n m a t e r i a l sa n dl e d c o l o r 自光l e d 有以下几种实现方式( 如图1 3 ) ： 1 、通过l e d 红绿蓝的三基色多芯片组和发光合成白光。 优点：效率高、色温可控、显色性较好。( 如图1 3 a ) 2 、蓝光l e d 芯片激发黄色荧光粉，由l e d 蓝光和荧光粉发出的黄绿光合 成白光，为改善显色性能还可以在其中加少量红色荧光粉或同时加适量绿色、红 色荧光粉。( 如图1 3 b ) 优点：效率高、制各简单、温度稳定性较好、显色性较好。 缺点：一致性差、色温随角度变化。 一章绪论 3 、蓝光l e d 芯片激发红色、绿荧光粉 优点：效率高、制各简单、温度稳定性较好、显色性较好。 缺点：一致性更差、色温随角度变化。( 如图i - 3 c ) 4 、蓝光l e d 芯片激发三基色( r o b ) 荧光粉 优点：效率高、制备简单、温度稳定性较好、显色性较好。 缺点：一致性更差、色温随角度变化。( 如图1 - 3 d ) 5 、紫外光l e d 芯片激发荧光粉发出三基色合成白光。 优点：显色性好、制各简单。 缺点：目前，l e d 芯片效率较低，有紫外光泄漏问题，荧光粉温度稳定性 问厥有待解决。( 如图1 3 e ) 目前技术最成熟的白光l e d 实现方法是第2 种，大功率白光l e d 是指功率 大于i w 的白光l e d 。本文讨论的是这种实现方式的白光l e d 。 a h 。dl ，b r j 1 c l j i ，d i e h i h 、r m “1 h “p h ”i h ” 1 h 、 t “_ - d n( 辄w 临e l e | c ) 因匿图圜然茸斟匿 图1 3 白光l e d 的实现方式 f i g u r e l - 3 t h e m e 锄sr e a l i z a t i o no f w l f i t e l e d 1 3 l e d 发展简史 早在1 9 0 7 年，美国的h e m yj o s o p h r o u n d 就首次报道了s i c 晶体在1 0 v 偏 压下发现黄光、绿光与橙色光在阴极出现中的电致发光现象】，之后德国的 b e r n h a r dg u d d e l l 和r o b e r tw i c h a r d 也报道了从锌硫化物与铜中提炼的黄磷发 光。两项发现之后都由于发光效率不高，而未有后续的研究。 全面的研究与发明者为前苏联无线电实验室的天才发明家 o l e g v l a d i m i r o v i c h l o s e v ( 1 9 0 3 1 9 4 2 ) ，他对s i c 电致发光现象进了全面的研究， 辨一 l 广东工业大学工学硕士学位论文 1 9 2 3 年，l o s e v 发现电流注入意外形成的s i cp - n 接面，可使元件发出蓝光。1 9 2 9 年，他公布了详细的l e d 光谱测量，指出发光与电流的依赖关系，指出是冷光 源( 而非传统意义上的热致发光) ，为“逆光电效应”，并试图以当时崭新的爱 因斯坦量子理论来解释l e d 发光原理，给出了至今仍在使用的电压降与发光频 率之间的关系式i = e v h ( e 为电子电荷，v 为电压降，h 为普朗克常数) ，又 明确指出与电流之间关系，并试图将s i c 的电致发光与电子德布罗意物质波的衍 射联系起来，l o s e v 敏锐地预见到它在电信方面的应用前景，试图将其利用到其 专利“光中转( l i g h tr e l a y ) 上【2 6 1 。然而，l o s e v 饿死于1 9 4 2 年列宁格勒封 锁，中断了这项可能是2 0 世纪早期最伟大研究之一的探索。l o s e v 本人也几乎 被l e d 研究界遗忘，自19 7 6 年e g o n el o e b n e r 的文献“s u b h i s t o r i e so ft h el i g h t e m i t t i n gd i o d e 【7 】以来，人们一直以为h e n r yj o s e p hr o u n d 为l e d 的发明者。直 至2 0 0 7 年四月，n i k o l a yz h e l u d e v 进行深入的研究之后，指出在l e d 发展史 上，应给予“l o s e v 与电致发光第一人h e n r yj o s e p hr o u n d 在l e d 的发展史上同 时提起的学术地位 【8 1 。 之后很长时间，l e d 的发展几乎停滞。二战后，由于军事需要对于激光技 术的深入研究，为l e d 材料的发展开拓了空间。真正利用电致发光原理，进行 发光二极管的生产、制造及应用则直至上世纪6 0 年代后期才得到迅速发展。1 9 6 2 年，g e 、m i tl i n c o l nl a b o r a t o r y 、i b m 三家实验室同时开发出基于发红光的磷 化镓( g a a s ) 半导体化合物为核心的半导体激光器，其中在对g a ( a s l - x p x ) 研 究基础上【9 。1 2 1 ，g e 实验室的n i c k h o l o n y a k 制成世界上第一只可见光g a a s p l e d 10 1 。 1 9 6 5 年，全球第一款商用化发光二极管诞生，它是用锗材料做成的可发出 红外光的l e d ，当时的单价约为4 5 美元。其后不久，m o n s a n t o 和惠普公司推出 了用g a a s p 材料制作的商用化红色l e d 。这种l e d 的效率为每瓦大约0 1 流明， 比一般的6 0 至1 0 0 瓦白炽灯的每瓦1 5 流明要低上1 0 0 多倍。 1 9 7 2 年，a a b e r g h 与p j d e a n 正式解释了l e d 的发光原理【l 3 1 。 早期的l e d 由于功率比较小，且仅有红光、橙光和黄光几种颜色，尽管发 光效率有较大地进步，其应用仍局限于各种电子设备信号指示、数码显示等弱电 显示领域。 4 第一章绪论 1 9 8 5 年，采用液相外延法，使得a 1 g a a sl e d 的发光强度首次突破1 c d 1 5 1 。 1 9 9 0 年起，对i n g a a l p 四元系材料的研究，大大提高了l e d 的效率，并且 将高亮度l e d 的光谱从红光扩展到黄光与黄绿光【1 5 1 7 1 。 1 9 9 2 年日本日亚公司的s h 吗i n a k a m u r a ( 中村修二博士) 使用热退火技术成 功活化磊晶在低温缓冲层上的g a n 薄膜，并于1 9 9 5 年研制出高亮度g a n 蓝光 与绿光l e d ，从此，l e d 进入到包括白光在内的全彩时代。1 9 9 6 年他利用波长 为4 6 0 4 7 0 n m 的i n g a n 蓝光芯片激发钇铝石榴石( y a g ) 形成白光l e d ，这使 得l e d 进入照明领域的成为可能。 9 0 年代后期至今，面向照明的大功率l e d 发展成为主流，为提高l e d 的 发光效率，人们做了很多的努力，如采用倒装芯片方式增加散热与出光【1 8 】，表面 粗化技术增加取光【1 9 1 等等。 随着半导体及集成电路的制作与加工工艺的飞速发展，其工作功率迅速提 高，特别是随着g a p 、g a n 系i i i v 族化合物半导体的结晶成长工艺技术及纳米 技术的进步，l e d 的光效与大功率集成技术都有了很大的提高，目前照明用l e d 已经开始从研究领域进入到应用领域。 表1 1l e d 与传统光源的比较 t a b 1 - 1l e dc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ll i g h ts o u r c e 光源类型功率( w )光效( 流明瓦)光线特性价格( 元，k 流明) 其他特性 目光l e d 4 0 0 机概强_ 匿好- t 氐挂g 眭动，寿命长 白炽灯 5 0 0 1 0 - 1 5 光谱窿埃 5 机械强匿羞，寿命短 卤素灯 1 k 2 5 - 3 0类似臼炽灯( 1 0机械强度羞，寿命短 荧光灯 5 0 0 3 0 - 8 0 发光面积大。敌射 2 0机械强度差，体积大 h i d 10 5 k 6 叶10 0 类似臼炽灯 f )( 1 - 2 ) 一般来说，p ( t ) 当然是越大越好。 除此之外，l e d 的可靠性还有多种指标可以来加以衡量： 寿命一般定义光输出量衰减到初始值5 0 的时间为l e d 的寿命。受使用 环境、使用条件( 电压，电流、温度、湿度等) 以及前期封装工艺等各方 面因素影响。 失效率失效率是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间 内发生失效的概率。一般记为a ，它也是时间f 的函数，故也记为九( t ) ，称为失效 率函数，有时也称为故障率函数或风险函数。单位常用菲特( f i t ，1 0 - 9 h ) 。按 上述定义，失效率是在时刻，尚未失效产品在f + f 的时间内发生失效的条件 概率，即它反映时，刻失效的速率，也称为瞬时失效率。 失效率与无故障工作概率两者之间的关系为 a ( f ) = 1 一尸( f )( 1 - 3 ) 大多数电子器件的失效率符合浴盆曲线规律，如图1 5 所示： 8 第一章绪论 巴 三 丽 i i - c h a n g e si nf a i lu r er a t e so r e rt i r ne 图1 5 浴盆曲线 f i g 1 - 5b a t h m bc u r v e 第一阶段为早期失效期，表明产品在开始使用时，失效率很高，但随着产品 工作时间的增加，失效率迅速降低，这一阶段失效的原因大多是由于设计、原材 料和制造过程中的缺陷造成的。 第二阶段为偶然失效期，也称随机失效期：这一阶段的特点是失效率较低， 且较稳定，往往可近似看作常数，产品可靠性指标所描述的就是这个时期，这一 时期是产品的良好使用阶段，偶然失效主要原因是质量缺陷、材料弱点、环境和 使用不当等因素引起。 第三阶段为耗损失效期：该阶段的失效率随时间的延长而急速增加，主要由 磨损、疲劳、老化和耗损等原因造成。 1 5 1 2 可靠性评价 在国际上已经有统一的标准来规范电子元器件的质量和可靠性水平，长期以 来世界上占主要地位的是美军标，近年来，由于可靠性产品国际认证的要求，i e c 标准已经渐渐受到各方的认可。我国的电子元器件标准也大多参照上述两者制 定。常用的可靠性试验技术标准如下表1 2 所示： 表1 - 2 常用可靠性试验技术标准【2 3 】 9 广东工业大学工学硕士学位论文 t a b 1 - 2c o m m o nt e c h n i c a ls t a n d a r d sf o rr e l i a b i l i t yt e s t 国际电工协会标准( i e c ) 6 8 号出版物：基本环境实验法 1 4 7 5 号出版物：半导体器件的机械及耐气候性试验方法 美国军用标准( m i l ) m i l s t d 2 0 2 ：电子、电器元器件试验方法 m i l s t d 7 5 0 ：分立半导体器件试验方法 m i l s t d 8 3 3 ：微电子器件试验方法 日本电子机械工业协会标准( e i a j ) s d 1 2 1 ：分立半导体器件的环境和疲劳性试验方法 i c 1 2 1 ：集成电路的环境及疲劳性试验方法 日本工业标准( j i s ) j s ic7 0 2 1 ：分立半导体器件的环境试验方法和疲劳试验方法 j s ic7 0 2 2 ：半导体集成电路的环境试验方法和疲劳试验方法 其他 英围标准( b s ) ，n a s a 标准，c e c c 标准，汽车工业标准，中国国家标准( g b ) 等 可靠性评价技术也在适应飞速发展的半导体技术而从原有的可靠性试验、可 靠性筛选、加速寿命试验发展了晶片级可靠性评价方法、微电子测试结构评价方 法、结构工艺质量认证评价方法、敏感参数快速评价方法、计算机辅助可靠性评 价方法等。 1 5 2 失效机理研究( 基于半导体物理学) 1 5 2 1 失效分析技术 可靠性工作的目的不仅是了解、评价微电子器件的可靠性水平，更重 要的是要改进、提高微电子器件的可靠性。所以在从使用现场或可靠性试 验中获得失效器件后，必须对它进行各种测试、分析，寻找、确定失效原 因，将分析结果反馈给设计、制造、管理等有关部门，采取针对性强的有 效纠正措旋，以改进、提高器件的可靠性。这种测试分析、寻找失效原因 或机理的过程，就是失效分析( 方法或程序) 。 1 0 第一章 绪论 从理论上讲，l e d 寿命是非常长的。早期失效一般都是由于设计、结 构、选材、工艺及使用上存在一些缺陷所引起。工艺筛选在一定程度上可 将存在某些缺陷的器件淘汰掉，使剩下的器件在使用中可靠性较高。但筛 选办法是消极的，它提高不了器件的固有可靠性。积极而主动地寻找失效 原因，从根本上降低失效率，提高固有可靠性。因此失效分析是一项重要 而有意义的工作。经过失效分析，旧的失效问题解决了，可能又会引起新 的失效问题。再进行失效分析，如此反复循环，不断提高产品的可靠性。 工欲善其事，必先利其器，顺利地开展l e d 失效分析工作必须具备一 定的测试与分析设备条件。近年来，分析技术与设备的发展十分迅速，许 多技术都可以用于l e d 的失效分析，其中主要失效机理分析技术主要有： 专伏安特性( i v ) 分析技术 电流光输出分析技术 夸光学显微分析技术( 立体显微镜、金相显微镜) 红外显微分析技术 夸红外热像仪分析技术 参声学显微镜分析技术，有三种：扫描激光声学显微镜( s l a m ) 、扫 描声学显微镜( s a m ) 、c 型扫描声学显微镜( c s a m ) 夸液晶热点检测技术 夺光辐射显微分析技术 夸扫描电镜( s e m ) 分析技术，根据成像原理不同又分为：二次电子 成像、背散射电子像、吸收电流像、电子束感生电流像( e b i c ) 、阴极荧光 ( c l ) 、电压衬度像、频闪技术 夸x 射线谱仪，包括x 射线能量色散谱，x 射线波长衍射谱仪 夸俄歇电子能谱分析技术 专离子微探针分析技术 x 射线光电子能谱技术( x p s ) 紫外光电子能谱技术( u p s ) 夸卢瑟福背散射及其离子束联合分析技术【2 3 】 o ：o i d d q 测试技术 广东工业大学工学硕士学位论文 专电致光谱( e l ) 分析技术 夸透射电镜( t e m ) 分析技术 深能级瞬态谱( d l t s ) 分析技术 专光热偏转光谱( p d s ) 分析技术 夸导纳谱分析技术 夸荧光微热成像( f m i ) 技术2 4 】 1 5 2 2l e d 失效机理 失效机理的研究对于确认器件失效的原因，弄清楚所导致失效的相关因素有 举足轻重的意义。 半导体器件可靠性研究的基础上，人们对l e d 作出了大量的失效机理 研究，然而早期的寿命试验数据是难以解释的，原因是当时的器件参数并 不规律，而且同批次器件以不同的方式劣化，各器件之间的结果差异很大。 在改进了l e d 的生产工艺之后，这一现象有了很大的改善【2 5 】这也间接 说明l e d 的失效分析对工艺可靠性提高有着巨大的作用。 近年来，人们对白光l e d 的失效机理进行了更深层次的探究，从已经取 得的成果看，其失效机理主要有以下几个方面【2 6 】： 1 ) 封装材料退化：据目前的研究来看，此类的退化主要是由热引起的 短波辐射产生热退化( l e d 光衰的主要原因) 和带间辐射产生的紫外线引 起的退化。早期的g a n 基l e d 可靠性研究观察到光输出迅速降低的一个重 要原因是由于蓝光与紫外线辐射和温度升高，引起封装材料的透明度下降 2 7 - 3 2 】，在大电流下封装材料甚至会炭化，原因是g a n 芯片的带间辐射复合产 生紫外线，由此产生的辐射会降低许多聚合物的光学透明度，从而引起光 输出降低。另外，在高热情况下，封装l e d 的聚合物材料其透射率会由于 温度升高产生热退化，b a r t o n 等人用p d s 分析环氧树脂的短波辐射退化现 象，发现大电流、高温工作环境下( 环境温度9 5 ，驱动电流4 0 m a ) ， l e d 芯片结温超过1 4 5 ，接近环氧树脂的褐化温度在1 5 0 ，从而引起封 装材料变色的退化。另外，m e n e g h e s s og ， o s i n s k im 等人观察到大 电流条件下封装材料的会发生碳化现象【3 2 。3 3 】。或在器件表面生成不透明物质， 1 2 第一章绪论 甚至碳化物质在表面形成导电通道【3 4 1 ，导致器件失效。因此，封装树脂的性能对 l e d 的可靠性、光输出效果以及光敏器件的抗干扰性能有着重要的效果，必须 根据使用场合选择适合的树脂1 3 l j 。 2 ) 荧光粉退化：白光l e d 中的y a g 荧光粉由于热效应以及三价铈离 子的氧化而发生退化。l u m i l e d s 公司的m u e l l e r m a c h 3 5 】认为y a g 荧光粉非 常稳定不容易失效，但也存在红移现象。钱可元、郑代顺等通过用同批次 的蓝光l e d 芯片分别制作白光与蓝光l e d 进行实验比较后得出结论，认为 “在通过荧光粉转换方法得到的白光l e d 的工作过程中，荧光粉量子效率 降低将导致宽谱带黄光相对峰值蓝光衰减更快的趋势，并使得器件色温升 高”。主要表现在，“随着时间的推移，由荧光粉转换得到的宽谱带黄光 在整个大功率白光l e d 光谱中所占的比例逐渐减小，同时l e d 的色温升 高。”阳而且从文中的实验结果来看，这种红移的情况更集中于寿命实验 的早期。 3 ) 金属电迁移：金属电迁移是半导体器件与集成电路电极系统中最主 要的失效机理，在g a n 基l e d 中也存在金属电迁移的问题，主要是纵向迁 移，p 型电极金属会沿着缺陷到达p n 结区形成欧姆通路，造成结区特性退 化，导致器件失效37 1 。b a r t o n 等人通过l e d 在大脉冲电流实验后的i v 特 性曲线观察到了这一现象，并用e b i c 、t e m 图像予以证明；k i m 等人则分 析了多量子阱g a n 基l e d 的金属电迁移现象。 4 ) 欧姆接触退化：m e n e g h i n i ，m 等人对l e d 进行大d c 电流条件老化， 比器件退化前后的i v 特性，认为这是由于p 型欧姆接触在高温下与大电流 退化，使得串联电阻增加所致。【3 8 】 5 ) 能级缺陷增长：c a o 通过分析电老化后的l e d 的i 特性曲线认 为，l e d 有源区或限制层产生的点缺陷起到了非复合辐射中心的作用，从 而降低了光输出f 3 9 】；h o 等人通过d l t s 分析发现老炼后的l e d 深能级陷 阱和界面陷阱密度均明显增加【4 0 】；s u g i u r a 则从位错迁移率的角度解释了为 什么g a n 基l e d 虽然具有很高的位错密度却依然能保持相当高的可靠性。 4 1 】 广东工业大学工学硕士学位论文 6 ) 非辐射复合中心的存在：e g a w a 观察到了暗点及暗斑作为非辐射复合 中心；g m e n e g h e s s o 发现大电流下芯片内有延伸的缺陷产生【4 2 】。 7 ) 静电：静电会引起p n 结区短路、短路，或在结区形成结构缺陷， 使得漏电流增大。【3 6 】甚至有可能将芯片直接击穿，导致开路失效。 8 ) 其他失效机理：由于各材料之间热膨胀系数之间存在差异，即热不 匹配情况，工作时由于温度的变化时造成的热应力使得金线断裂、金球脱 开，芯片粘接不良、银浆开裂、芯片键合老化，以及倒装芯片中焊球的脱 落、芯片裂纹扩展、静电损伤等原因引起的开路失效。 4 3 - 4 5 】 上述所有这些失效机理，都与热性能直接或间接相关。 研究证实：文献m 分析了白光l e d 的早期衰退是非辐射复合中心增加所导 致的。在封装、制造过程中，应综合考虑并选择相应的封装材料。热特性是白光 l e d 最重要的特征，l e d 封装的热性能，是目前研究的热点。由于白光l e d 需要制作大功率的管芯，在大电流注入的情况下，l e d 管芯发热问题很严重， 对高功率白光l e d 的散热、热阻与结温测量以及热模拟、可靠性进行了专门研 究4 刀，通过热阻模拟分析、测量和优化器件热阻。目前白光和功率l e d 器件热 阻和接触电阻过大仍是影响可靠性寿命的关键因素，没有得到良好地解决。此外， 研究者们也开展了寿命试验【4 8 击2 1 来评价器件的寿命以及其缺陷和薄弱环节，但国 内的白光l e d 热性能相关的寿命数据的报道仍是不足，对于l e d 的可靠性及热 分析也处于研究的初期。 可以看出，以上热性能相关失效机理，几乎应归究于直接或间接热管理不当。 实践中，人们得知热于l e d 的器件寿命是有一定的数值关系的，其中l u m i l e d s 公司提出的失效率计算公式如下： 槲e x 悟瞻) m 4 ， 九为结温为疋时的失效概率，同样- 为结温为正时的失效概率， e = 0 3 4 e v k ；8 6 1 7 1 0 5 仑v k 1 4 第一章绪论 可以非常直观地得到，结温越高，失效率越大。研究l e d 失效率首先应该 考虑其热管理。 1 5 3l e d 可靠性的研究意义 对于l e d 产品来说，可靠性问题和经济效益密切相关。因此，研究产 品的可靠性问题，显得十分重要、非常迫切。 1 ) 提高l e d 可靠性，可以防止故障的发生，在某些指示性的场合， l e d 还代表了另一些特别的运行意义，提高可靠性l e d 的可靠性，甚至可 以避免灾难性的事故发生。 2 ) 提高产品的可靠性，可以减少维修时间，提高产品可用率，对于一 些造价高昂的商用显示系统，如大屏幕l e d 显示系统，其“昂贵”不仅体现 在前期的硬件投入，更体现在后期的维护成本和耗材费用。良好的可靠性 能，不仅在于节省了人力成本，也节省了使用者的维护成本与商业效益。 因此，美国g e 公司经过分析认为，对于许多连续作业的设备，即使可靠性 提高1 ，成本提高1 0 也是合算的。 3 ) 对于l e d 生产企业来说，提高产品的可靠性，可以改善公司信誉， 增强竞争力，扩大市场份额，从而提高经济效益。 1 6 本文所做的工作 l e d 的可靠性研究是在l e d 寿命研究的基础上提出的课题。这一课题从第 一批l e d 开始投入使用就受到了研究者的强烈关注。然而，由于l e d 技术的不 断进步，至今该课题仍不断焕发出其崭新的方面，值得研究人员去应对新情况新 问题。 大功率l e d 相对较高的价格与推广到民用照明领域的巨大商业前景的矛盾 使得提高l e d 可靠性迫在眉睫。进行l e d 可靠性研究，分析其失效机理，以预 防为主，针对l e d 在研制生产、储运、使用过程中可能出现的各种失效机理、 模式加以消除控制，从源头上减少工艺失效，根本上降低l e d 固有失效率，提 高可靠性，获得l e d 流明价格的相对下降，从而达到整体价格下降之目的，无 广东工业大学工学硕士学位论文 论对于l e d 科研还是l e d 产业都具有非常重要的学术价值和实用价值。本课题 正是在这样的背景条件下开展的。 多数l e d 可靠性研究集中在统计预测之上，或进行l e d 长期寿命试验，或 进行加速寿命试验。有关失效机理方面，l e d 的研究也集中在失效后的检测上。 本论文尝试一种完全不同的思路与方法，采用断裂力学对l e d 的失效机理进行 分析，并利用有限元方法对l e d 的热分布进行模拟与分析，进而通过对l e d 结 构、材料的优化提供进行指导。力求热模拟贴近真实，可以对选材，设计过程提 供支持；同时，对失效模式进行失效分析，可以对生产设计有所指导，提高l e d 产品的有效性。 1 6 第二章大功率白光led 的建模与仿真 第二章大功率白光le d 的建模与仿真 2 1引言 传统的产品设计流程往往是先从产品相关的规格及要求出发，由设计人员设 计后，多方讨论后，再开模进行投产前的前置工作，至于各种产品测试则均需等 到产品正式形成后方可以进行。因此，上述任何一个环节出现问题，都会影响到 成品的交付、使用而付出相应的成本，发现问题越晚，付出的代价也越高。随着 计算力学、计算数学、工程管理学的特别是信息技术的飞速发展，有限元、有限 体积及差分等方法与计算机技术相结合，产生了可以以数值模拟分析为基础的可 预期评估产品的一系列c a e 技术。极大的节约了产品的开发周期、降低产品开 发成本、并可在产品维护检修阶段能分析产品故障原因，分析质量因素等，当然 也包括在设计、研究过程中对器件进行热分析、热管理，从而优化设计。 2 2l e d 热管理的重要性 小功率l e d 一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片 台上，由金丝完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成，其热阻高达2 0 0 3 0 0 。c w ，尽管如此，由于功率本身比较小，散热问题一直不突出。然而，随着向 照明级器材方向发展，l e d 的功率的不断加大，散热问题越来越突出。表现在 以下几个方面： 1 ) 温度会影响p - n 结禁带宽度，结点温度升高造成禁带宽度变窄，使得发 光波长偏移，并引发更多的非可见光辐射导致发光效率降低。发光强度降低，随 着芯片结温的增加，芯片的发光效率效率也会随之减少，芯片结温越高，发光强 度下降越快。 2 ) 禁带宽度变窄更会引起发光主波长偏移，当l e d 的温度升高时，l