1、2023.06ELECTRONICS QUALITYLED 水汽侵蚀失效分析刘滨，夏姗姗，周海涛，邓克俭（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州511370）摘 要：通过I-V特性曲线测试、机械开封、光学观察、扫描电镜及能谱分析、切片观察和红墨水试验等测试手段，对失效LED和正常LED进行了测试，并对测试结果进行了对比分析。结果显示失效样品I-V特性曲线异常；存在短路现象，电镜观察失效样品芯片表面出现树枝状银物质，同时观察到支架与环氧胶界面存在缝隙，由此推断出水汽入侵路径。结合失效背景，得出LED灯珠失效原因为LED支架与环氧胶的界面存在缝隙，水汽通过缝隙侵入，在电场作用下，芯片正极发生银迁
2、移，导致样品失效。并提出了相应的改进措施，对于提高LED产品的可靠性具有一定的参考意义。关键词：发光二极管；水汽侵蚀；银迁移；失效分析中国分类号：TN 312+.8文献标识码：A文章编号：1003-0107（2023）06-0033-04doi:10.3969/j.issn.1003-0107.2023.06.008Failure Analysis of the LED Caused by Water Vapor ErosionLIU Bin，XIA Shanshan，ZHOU Haitao，DENG Kejian（CEPREI，Guangzhou 511370，China）Abstract：
3、Through I-V characteristic curve test，mechanical opening，optical observation，scanning electron mi-croscopy and energy spectrum analysis，section observation and red ink test，the failed LED and normal LED aretested，and the test results are compared and analyzed.The results show that the I-V characteri
4、stic curve of the failedsample is abnormal and there is a short circuit phenomenon.And by electron microscopy，it is observed that dentriticsilver substance exists on the surface of the failed sample chip and there is a gap between the scaffold and epoxy ad-hesive.From this，the water vapor intrusion
5、path is deduced.Combined with the failure background，it is concludedthat the failure cause of the LED lamp bead is that there is a gap in the interface between the LED bracket and the e-poxy adhesive，and water vapor intrudes through the gap.Under the action of electric field，silver migration occurs
6、inthe positive electrode of the chip，resulting in sample failure.And the corresponding improvement measures are putforward，which has certain reference significance for improving the reliability of LED products.Keywords：light emitting diode；water vapor erosion；silver migration；failure analysis收稿日期：20
7、22-12-05修回日期：2022-12-06作者简介：刘滨（1990），男，河南南阳人，工业和信息化部电子第五研究所科技与规划处工程师，硕士，主要从事材料和元器件可靠性科研工作。通讯作者：夏姗姗（1994），女，河南南阳人，工业和信息化部电子第五研究所元器件可靠性分析中心助理工程师，主要从事芯片检测分析工作。0引言发光二极管（LED：Light Emitting Diode）是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件。LED的核心是一个半导体芯片，晶芯一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。其利用电流顺向流通到半导体p-n结耦合处，再由半导体中
8、分离的带负电的电子与带正电的电洞两种载子结合后，产生光子发射，不同种类的LED能够发Failure Analysis失效分析33ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY出从红外线到蓝光之间、紫光到紫外线之间等不同波长的光线。其与传统光源相比，具有节能、环保、显色性和响应速度好等优点，因而被广泛地应用于视频屏幕、车辆指示灯照明和景观照明等多种场景1。本文叙述了一例LED灯珠的失效分析，委托单位提供的失效背景信息为：在装车现场通电后不亮，失效批次的开关返回原厂进行检测功能时一般是闪烁几下后不亮，当时所在地的空气湿度大约在80%左右。1试验及分析过程1.1 设备用品
9、及方法a）扫描电镜方法GB/T 173592012微束分析能谱法定量分析。b）试 验 环 境：温 度 为2326；湿 度 为50%RH60%RH。c）分 析 仪 器：SEM&EDS，型 号 为S-4300&Genesis-60。d）光学显微镜，蔡司Axio Scope。e）图示仪，型号为370B。f）墨水：英雄牌红墨水。1.2 外观观察样品为3小袋LED灯珠，失效品和正常品代表性外观照片如图1所示，黄色部分为环氧荧光混合物，金属部分为支架，半透明部分外部为环氧封装胶，失效品和正常品外观未见不同。对样品进行外观观察，未见明显异常。1.3 I-V 特性曲线选取正常样品和失效样品若干分别进行I-V特
10、性曲线测试，测试结果显示：正常品I-V特性曲线正常，如图2所示；失效品出现漏电流和短路现象，典型代表曲线如图3所示。1.4 机械开封结果为了确认短路发生的原因，对失效品和正常品采用机械开封，利用光学显微镜观察，并对其进行扫描电镜分析，如图47所示。能谱仪所能检测元素从B5U92；对大多数元素其理论检测限0.1wt%；该分析为X射线能谱无标样定量分析，分析结果取重量百分比小数点后一位数字。如图4所示，失效品的芯片正面正极部位存在较多彩色树枝状条纹异污，异污发源于芯片中间的正极部位，边缘的负极部位未观察到异污，并且芯片上环氧胶残留较少，支架碗底也存在彩色图1失效品和正常品外观照片图2正常品代表性I
11、-V特性曲线图3失效品代表性I-V特性曲线图4失效品的机械开封光学显微镜观察结果环氧封装胶环氧荧光混合物支架失效品正常品芯片正面芯片正面芯片背面支架碗底342023.06ELECTRONICS QUALITY区域，芯片背面也有异污存在。如图5所示，正常品的芯片上残留环氧胶较多，芯片正面上未观察到树枝状彩色纹路，支架碗底和芯片背面均比较干净。如图6所示，利用扫描电镜观察失效品芯片，发现其芯片正面出现大量树枝状图案，对比位置1（树枝状物）和位置2（空白区域）的能谱结果可知，树枝状图案物质比空白区域物质成分多出大量银元素，因此确定树枝状主要物质成分为银，芯片上发生了银迁移。在蒸馏水中施加电压就很容易
12、产生迁移的金属有Ag和Cu的电极材料，Pb、Sn和Pb-Sn合金焊料，以及Bi、Cd的钎焊材料2。银迁移的原理为：AgAg+，H2OH+OH；Ag+OH-AgOH；2AgOHAg2O+H2O。即在潮湿环境中，银电极在电场及水的OH-的作用下，离解产生Ag+，并与OH-形成AgOH；AgOH中的Ag-O-H化学键弱，易分解成胶状的Ag2O与水，其中，Ag2O在正极形成，呈胶体状分布，银离子迁移并聚集，析出呈树枝状3。生成物Ag2O不稳定，在高温等条件下又转变为金属银4。如图7所示，利用扫描电镜观察正常品芯片，其芯片正面未出现树枝状图案，利用能谱确定空白区物质成分主要为硅、镓和铟元素，未现银元素。
13、由结果可知，失效品芯片因水汽入侵发生银迁移，使得正负极之间发生短路从而导致失效。分析水汽入侵原因，可能存在水汽入侵通道，金属与环氧界面处一般较易因应力集中而出现粘接不牢或者脱黏现象，从而产生缝隙。因此，我们对失效品和正常品金属支架与环氧胶界面处进行了切片观察。1.5 切片观察为了确认金属支架与环氧胶之间是否存在水汽入侵路径，进行了切片电镜观察，结果如图8所示。从图8中可知，正常品的支架与环氧界面处结合紧密，不存在缝隙，失效品的支架与环氧界面处存在明显的缝隙。电镜观察发现失效品的芯片正极部分与上面环氧胶界面处存在细小缝隙，如图9所示（白框内可见明显缝隙），而正常品芯片与其上的环氧胶界图6失效品芯
14、片正面的扫描电镜及能谱结果图5正常品的机械开光学显微镜观察结果图7正常品芯片正面的扫描电镜及能谱结果图8支架与环氧密封胶的界面电镜照片正常品失效品Failure Analysis失效分析35ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY面处结合紧密，不存在明显缝隙，如图10所示。结合失效品芯片表面出现树枝状银物质，正常品表面未出现类似物质，可以推断，芯片与环氧胶界面处的缝隙是树枝状银物质产生的因素之一。1.6 红墨水试验为了进一步确认水汽入侵路径，选取正常品、失效品各2只，进行红墨水试验，实验条件为：将样品置于红墨水中于90 下水浴煮3 h，正常品黄色环氧胶与支架接
15、触处的红墨水较少，失效品相应位置可见一圈红色，侧面印证失效品的支架与环氧胶界面处易被侵入，典型结果如图11所示。结合切片观察分析，可以推断水汽入侵的路径为：黄色环氧胶与支架接触处支架与环氧界面缝隙环氧与芯片界面缝隙芯片正极发生银迁移。2结束语将失效品和正常品进行机械开封并利用电镜观察分析，确认芯片的正负极之间发生了银迁移，导致芯片发生短路。由红墨水试验可知，失效品支架与环氧胶的界面存在缝隙。可以推断，样品失效的主要原因是：支架与环氧胶的接触界面存在水汽入侵的通道，水汽侵入后，在电场作用下正极发生银迁移导致样品的正负极之间发生短路。因界面处是金属和环氧树脂两种不同物理化学性质的材料，易因粘接不牢
16、或者膨胀系数不同导致缝隙产生，建议在对LED灯进行封装时，重点关注其界面处的密封问题，如环氧胶的固化程度、温度和湿度等影响因素。同时，因材料表面和内部吸附的水汽、聚合物胶体中残余的或吸附的水、环境中的水汽等，可进行真空烘烤以去除其内部的残余水汽5，避免银迁移失效的发生。参考文献：1夏伟淳.LED灯的特点、应用与展望J.科技风，2018（2）：115.2鲍建科.电子元器件银离子迁移评价方法的探究J.家电科技，2018（7）：84-87；90.3莫福广，莫柳钰，梁军，等.贴片电阻银离子迁移失效分析及工艺优化J.装备制造技术，2021（5）：270-273.4别业楠，裴轶，赵树峰.氮化镓器件芯片表面银迁移抑制方法研究J.中国集成电路，2022，31（10）：55-60.5伍艺龙，卢茜，董东.多芯片组件的导电胶银迁移失效预防措施J.电子工艺技术，2018，39（3）：136-139.图10正常品芯片正面与环氧胶界面电镜图图9失效品芯片正面与环氧胶界面电镜图图11红墨水实验结果正常品失效品36