了解LED多樣的故障模式與解決方案

LED在高效運行方面享有當之無愧的聲譽，更不用說高可靠性了。正確指定和實施，LED應該并且?guī)缀鯘M足每個照明應用。但是，有時實際設備的使用壽命會達不到規(guī)定的理想值。 LED是寬帶隙半導體器件。因此，它們具有比現(xiàn)有技術更復雜和多樣的故障模式。與白熾燈不同，白熾燈的故障非常簡單（燈泡在燈絲斷裂之前產(chǎn)生光線），使用LED時，故障模式的范圍從機械和電氣到材料。

首先，快速回顧基礎知識

在芯片級，LED由摻雜半導體材料組成，形成p-n結(jié)。用正向電流偏置結(jié)將電子從n型導帶推到p型導帶。在很大比例的情況下，這種重組是一種輻射過程，產(chǎn)生一個光子，其波長由材料的帶隙決定。

一旦LED晶圓被圖案化，就將其切割并將各個芯片連接并封裝。為了產(chǎn)生從LED發(fā)出光所需的正向電流，必須使用超薄線（通常為金）將其連接到引線（圖1）。模具可以用銀膏粘合到位，這提供電傳導和熱傳導。另一種選擇是應用粘彈性阻尼材料進行保護。然后將絕大多數(shù)LED封裝在環(huán)氧樹脂中，其提供機械穩(wěn)定性，光學擴散和一定量的環(huán)境保護。

圖1：將LED芯片（藍色）連接到引線的引線鍵合（金）可能會受到熱膨脹應力的破壞。環(huán)氧樹脂外殼吸收的水分或腐蝕性化學物質(zhì)會腐蝕引線（灰色）。

LED有兩種主要的失敗類型：漸進式和災難性的。除了極少數(shù)例外，LED故障往往源于逐漸退化而非災難性變化。供應商不將故障定義為二元條件，而是將其定義為連續(xù)體中的指定點。根據(jù)研究，在人眼可以檢測到變化之前，燈的輸出可以降低多達30％的光通量。因此，大多數(shù)制造商通過其輸出光通量下降到初始值的70％以下的時間來定義設備的生命周期。

這并不是說災難性的失敗從未發(fā)生過。事實上，運行條件越極端，您的設備在某些時候可能會出現(xiàn)故障的可能性就越大。但是，有一些方法可以減輕許多原因，以確保應用程序的成功。

材料失效模式

LED材料的質(zhì)量直接影響其性能和使用壽命。材料中缺陷的數(shù)量越大，電子 - 空穴復合引起非輻射衰變的可能性越大。形成大多數(shù)白光LED基礎的氮化鎵LED目前主要生長在涂有GaN層的藍寶石襯底上。兩種材料之間的格子不匹配引入了引起一種稱為穿透位錯的缺陷的應變。這些是從GaN膜垂直傳播到有源區(qū)中的細裂紋，導致非輻射衰變。非輻射衰減的百分比越大，燈的輸出越低。這些缺陷可以傳播，特別是如果材料經(jīng)歷熱循環(huán)。

結(jié)構(gòu)缺陷通過創(chuàng)建漏電流路徑引入了不同類型的損耗，為反向偏置電流開辟了道路。通過有源區(qū)域注入載流子可以產(chǎn)生新缺陷或?qū)е卢F(xiàn)有缺陷傳播。所得到的缺陷密度降低了擊穿電壓，這可能損害性能。

同樣，高電流會產(chǎn)生缺陷，尤其是在結(jié)的p側(cè)。實際上，在紫外LED的測試中，電應力比熱應力降低了性能。如果您有超高亮度應用，請考慮使用首爾半導體的W724C0-D冷白光LED等產(chǎn)品。表面貼裝器件可以承受高達2.8 A的正向電流，輸出為900 lm（圖2）。

圖2：過度驅(qū)動LED可能會導致最終影響輸出和壽命的缺陷。對于高亮度應用，請確保指定可以完成工作的設備，例如這款冷白色LED，在2.8 A驅(qū)動時可產(chǎn)生高達900 lm的輸出。（由Seoul Semiconductor提供。）

活躍介質(zhì)不是LED中唯一潛在的故障源。環(huán)氧樹脂封裝旨在保護芯片，但它實際上可以產(chǎn)生自己的問題。該材料具有固有的吸收性，這意味著在潮濕或甚至腐蝕性環(huán)境中，它可以將水分或腐蝕性化學品轉(zhuǎn)移到模具中。這可能導致觸點腐蝕，導致短路或電壓尖峰。盡管鈍化有助于減輕這種影響，但如果在炎熱，潮濕的環(huán)境中使用設備，則必須盡量保護設備。

電氣故障模式

在存在電場的情況下，用于將表面貼裝LED粘附到電路板上的銀中的金屬可能會自發(fā)形成細絲，這種現(xiàn)象稱為電遷移，這是一種自發(fā)過程濕度或潮濕條件加劇了這種情況。對于未封裝的LED，并且它們確實存在，這可能是一個應該防范的問題。

暴露在高壓靜電放電中的LED存在災難性故障的風險。不幸的是，超高壓尖峰并不代表異常情況。根據(jù)濕度和鞋子的不同，您可以通過鋪有地毯的房間累積高達1.5 kV的靜電電荷。當應用于模具時，這種沖擊可以克服材料半導體材料的靜電電阻。放電采用極端局部加熱的形式，這會在有源介質(zhì)中產(chǎn)生穿孔，從而導致短路故障。

具有約50 V擊穿電壓的瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS），例如Littelfuse的5KP系列，可以幫助保護器件。二極管可以承受5，000 W的峰值脈沖，響應時間優(yōu)于1 ps。

連接到芯片的引線鍵合可能非常脆弱。環(huán)氧樹脂封裝通?？杀Ｗo設備免受沖擊和振動。也就是說，封裝的LED包含許多不同的材料 - 導體，絕緣體，半導體，幾乎所有材料都具有不同的熱膨脹系數(shù)。結(jié)果，溫度波動會引起材料膨脹的變化，導致機械應力，該機械應力會使導線斷裂或以其他方式損害接觸，通常導致開路形式的災難性故障。使用良好的熱管理實踐將設備穩(wěn)定在極端溫度和快速熱循環(huán)中是至關重要的?？紤]導電或甚至主動冷卻來解決問題。如果熱量有問題，請注意尋找額定溫度極限的元件。

開路可能是個問題，特別是對于與其他組件串聯(lián)的LED。如果一個設備開路，它可以用整個字符串。 Bourns的LSP0900BJR-S并聯(lián)保護器可以承受75 mA的擊穿電流Ibo和33 V的轉(zhuǎn)折電壓Vbo。符合RoHS標準的器件可以防止開路失效的LED，允許電流繞過故障并繼續(xù)到字符串的其余部分。如果您正在使用高可靠性應用程序，那么這是確保性能的好方法。