Введення в поняття «відмов» і «терміну служби» світлодіодів
Багато виробників світлодіодів заявляють термін служби до 100000 годин безперервної роботи. Проте, ця цифра вводить в оману, і багато в чому залежить від якості продукції, від умов її використання, а також від критеріїв оцінки надійності світлодіодів.
Хоча в більшості випадків характеристики світлодіодів погіршуються поступово, також спостерігалися раптові відмови через зростання дислокацій з периферії активної області, руйнування p-n-переходу, зростання дислокацій з окисленого торця або проміжної області, що розділяє торець і діелектричне покриття, і катастрофічного оптичного пошкодження. По-друге, споживачі, які працюють зі світлодіодами, давно зрозуміли, що їх надійність, особливо в частині швидкості деградації, часто залежить від постачальника компонентів. Знання цих двох жорстких обмежень вимагає вироблення тестів на довговічність на основі фундаментального розуміння механізмів відмови.
Класифікація основних відмов
Споживачі, які працюють зі світлодіодами. зазвичай визначають рівень вихідної потужності, при якому вся система вийде з ладу, і потім використовують фізичні моделі для прогнозування часу напрацювання на відмову. Чітке визначення відмови є найбільш критичним місцем, і більшість виробників і споживачів мають власну думку про те, коли оптоелектронний прилад можна вважати, що вийшов з ладу. Один з методів визначення відмови полягає в тому, щоб зафіксувати струм і стежити за вихідною потужністю приладу, вважаючи прилад непрацездатним при падінні вихідної потужності нижче певного рівня (зазвичай від 20% до 50%) від вихідної величини.
Інший метод заснований на контролі падіння вихідної потужності приладу і його компенсації шляхом збільшення керуючого струму. Коли керуючий струм досягає певної відносної величини (30%) прилад вважається що з ладу. Деякі механізми відмови і дефекти також можуть ініціювати вихід з ладу світлодіодів. Фахівці з надійності не повинні фокусуватися виключно на вплив температури і щільності струму, тому що такий підхід може призвести до невірного відбору продуктів.
Деградація активної області
На кордонах розділу таких структур неминучі зміни хімічного складу або навіть параметрів решітки. При високому рівні інжекції хімічні компоненти можуть мігрувати шляхом електроміграціі в інші області. Структурні зміни породжують кристалічні дефекти на кшталт дислокацій і точкових дефектів, які ведуть себе як невипромінюючі центри, що перешкоджають природному випромінює рекомбінації і в результаті генеруючі додаткове тепло всередині активного шару.
деградація електродів
Деградація електродів в світлодіодах в основному має місце на електроді р-області (зазвичай прилад складається з підкладки n-типу, і електрод р-області формується поблизу активної області приладу). Основна причина деградації електрода полягає в дифузії металу у внутрішню область (так звана периферійна дифузія) напівпровідника. Дифузія посилюється зі збільшенням инжектированного струму і температури. На жаль, вибрати підходящий матеріал для омічного контакту до р-області систем InGaN / GaN досить складно через велику ширини забороненої зони GaN р-типу.
Через те, що електрод повинен володіти меншим коефіцієнтом взаємної дифузії складових, інженери іноді застосовують бар'єрний шару для придушення ефектів електроміграціі. Проблеми з струмовим насиченням в потужних світлодіодах більш серйозні. Для вирішення цих проблем інженерам потрібно оптимізувати конструкцію електрода і вертикальну складову електричного струму. Електроди з деяких матеріалів, таких як прозорий проводить оксид індію-олова (ITO), або відображають металів (срібло) схильні до таких проблем як електроміграціі і термічна нестабільність.
Деградація робочої кромки є серйозною проблемою для світлодіодів на AlGaAs / GaAs, випромінюючих видиме світло, але нехарактерна для світлодіодів на InGaAsP. Окислення шляхом фотохімічних реакцій призводить до збільшеним значенням порогового струму і, відповідно, зменшення часу життя світлодіода. Іншим типом відмови робочої кромки є так званий катастрофічний оптичний дефект (КОД) - коли величина світлової енергії перевершує певний рівень і робоча кромка починає плавитися. Відмова оптоелектронних приладів, в звичайних умовах стійких до деградації робочої кромки, може бути ініційований ушкодженнями при обробці, сторонніми забруднення і дефектами матеріалу.
термічна деградація
Кількість тепла, що виділяється при роботі світлодіодів. вимагає їх монтажу на радіатор або теплопоглинальних підводний човен, часто за допомогою припою. Якщо каверни в припої створюють умови для недостатнього відведення тепла, що виникають гарячі точки призводять теплової деградації і відмови. Теплова деградація через каверн у припої часто домінує в світлодіодах в перші 10000 годин роботи. Освіта каверн у припої може відбуватися через порушення умов обробки або дифузії металу на кордоні розділу (каверни по Кіркендаллу). Також освіту каверн може відбуватися через електроміграціі.
Коли в металі протікає досить великий струм, вакансії і іони металів мігрують до протилежних полюсів, приводячи до утворення каверн (вакансії), кристалів, горбків і віскерів. Зростання віскерів, який може початися під дією внутрішніх напружень, температури, вологості і особливостей матеріалу, зазвичай п
Електростатичний розряд і електрична перевантаження
Напівпровідники чутливі до дефектів, викликаним електростатичним розрядом (ЕСР). Видами відмови через ЕСР можуть бути раптова відмова, параметричні зрушення внутрішнього пошкодження, що приводить до деградації в процесі подальшої експлуатації. Згідно з існуючими нормативами, чутливість світлодіодів до ЕСР повинна бути більше 100 В при тестуванні на моделі людського тіла. Пробій через перевантаження і ЕСР є суттєвою проблемою для світлодіодів. Іноді розробники використовують діод Зинера або бар'єр Шотки для досягнення певного класу по ЕСР. Більшість комерційних InGaN / GaN світлодіодів формується на сапфірових підкладках, які не мають електричної провідності. Це призводить до залишкових електричного заряду в приладі, що робить його більш чутливим до пошкоджень, викликаним електростатичним розрядом і перевантаженням.
Термічна втома і коротке замикання
Різниця в коефіцієнті теплового розширення у з'єднаних частин і припою призводить до появи механічних напружень на етапі виготовлення, пов'язаного з термоціклірованіе, які можуть викликати розшарування в з'єднаних частинах. Коли потужний прилад піддається циклічному навантаженні, поведінку приладів, виготовлених, наприклад, з використанням твердого припою і м'якого припою, може відрізнятися. Термічна втома зазвичай спостерігається в приладах, виготовлених з використанням м'якого припою, в той час як прилади, виготовлені з використанням твердого припою, стабільні при циклічної термічної навантаженні. Іноді невідповідний припій і технологічний контроль може призвести до короткого замикання в приладі. Завдяки щодо високої змочуваності, припой на основі олова може перелити край контактної площадки і сформувати закоротки. Відмови, пов'язані зі складанням в корпус, можуть викликатися герметиком, електродними висновками і фосфором.
Термічні напруги в герметике є найбільш частою причиною відмови в світлодіодах. Якщо - внаслідок електричної перевантаження або високої зовнішньої температури - температура корпусу досягає температури переходу скляного наповнювача герметика (Tg), смола починає швидко розширюватися. Різниця в коефіцієнті теплового розширення внутрішніх компонентів світлодіода може привести до механічного пошкодження. При дуже низьких температурах може статися розтріскування епоксидної композиції, з якої виготовлені лінзи. Висока температура, викликана внутрішнім нагрівом і невипромінюючі рекомбинацией, і досягає 150 С, призводить до пожовтіння епоксидної композиції, що в результаті змінює вихідну оптичну потужність або колір випромінюваного світла. Якщо індекс заломлення герметика не відповідає індексу заломлення напівпровідникового матеріалу, індукований світло залишається в напівпровіднику, в результаті чого виникає додаткове джерело тепла. В результаті перегріву епоксидної композиції може відбуватися розрив або відділення електродного виведення і зниження міцності з'єднання кристала з підкладкою. Ці проблеми в свою чергу можуть привести до відшарування кристала і епоксидної композиції.
Механічні напруги, викликані свинцевими провідниками є ще однією причиною, в результаті якої в приладі може з'явитися обрив. Недотримання вимог до тиску, положення і напряму в процесі пайки висновків може привести до появи механічних напружень при нормальній робочій температурі і вигинання висновків в небезпечній близькості від кристала світлодіода. Більшість білих світлодіодів використовують жовтий або червоний / зелений люмінофор, які схильні до термічної деградації. Коли розробники змішують два або більше різних люмінофора, складові повинні мати порівнянне час життя і характер деградації для забезпечення насиченості кольору. Колірна температура і чистота кольору люмінофора також деградують з часом.
к.т.н. Годовіцин І. В.
Московський Державний Інститут Електронної Техніки