Емпіричні методи прогнозування і зовсім не можна вважати надійними в ситуації, коли мова йде про надійність оптоелектронних приладів. Адже найбільш поширені випадки відмови обладнання пов'язані з поступовим зниженням потужності протягом експлуатації. А більшість існуючих стандартів використовують термінологію постійної інтенсивності відмов. Звичайно, в більшості випадків характеристики світлодіодів погіршуються поступово. Але також є випадки несподіваних відмов через зростання дислокацій з периферії активної області, руйнування p-n переходу, зростання дислокацій з окисленого торця або проміжної області, яка розділяє торець і діелектричне покриття, і невиправного оптичного пошкодження. Крім того, споживачі, які мають справу зі світлодіодами, давно зрозуміли: їх надійність (особливо що стосується швидкості деградації) часто залежить від постачальника компонентів.
Саме правильне визначення відмови - самий проблемний пункт, багато виробників і користувачі самі визначають, коли оптоелектронний прилад прийшов в непридатність. Ще один спосіб виявлення відмови - встановити струм і спостерігати вихідну потужність приладу, визнавши прилад вийшов з ладу при зниженні потужності нижче прийнятої точки (як правило, від 20% до 50% від початкової величини). Інший метод базується на спостереженні зниження вихідної потужності приладу і його відновлення з допомогою збільшення керуючого потоку. Як тільки керуючий струм досягає потрібної величини (скажімо, 50%), прилад можна визнавати непрацездатним. Певні механізми відмови і недоліки теж можуть бути причиною поломки світлодіодів.
Експерти по надійності не повинні зосереджуватися тільки на впливі температури і щільності струму, так як така точка зору може привести до помилкового відбору продукції.
Причини поломки світлодіодів
1. Деградація активної області світлодіодів
Світлодіод випромінює світло завдяки перерозподілу інжектованих носіїв в активній області. Поява і зростання дислокацій поряд з преципітацією вузлових атомів призводить до порушення внутрішньої частини цієї області. Такі явища можуть відбуватися при порушенні кристалічної структури. Велика щільність инжектированного струму, підвищення температури через инжектированного струму і струму витоку і випромінюється світло призводять до наростання розвитку дефекту. Велике значення має матеріал, який використовувався при виробництві світлодіода. Наприклад, система ALGaAs / GaAs набагато більш сприйнятлива до цього механізму відмови, ніж система InGaAs (P) / InP.
Система InGaN / GaN (для світлодіодів блакитного і зеленого випромінювання) майже не сприйнятлива до дефектів. В активних областях можна знайти прості p-n пререходи, вбудовані гетероструктури, численні квантові провали. На кордонах з'єднання таких структур обов'язково існують зміни хімічного складу або характеристик самої решітки. При великій мірі інжекції хімічні елементи можуть переходити шляхом електроміграціі в інші області. Зміни в структурі призводять до кристалічним порушень, таким, як дислокації і точкові дефекти, які стають невипромінюючі центрами. Вони затримують природне випромінює перерозподіл і в підсумку виробляють додаткове тепло всередині активного шару.
2. Деградація електродів
Деградація електродів в світлодіодах найчастіше зустрічається на електроді Р-області (як правило, прилад включає підкладку n-типу, і електрод p-області утворюється поруч з активною областю світлодіода). Головний фактор деградації приладу - дифузія металу у внутрішню область (її ще називають периферійної дифузією) напівпровідника. Дифузія росте з посиленням инжектированного струму і температури.
Вибрати оптимальний матеріал для омічного контакту до p-області світлодіодів InGaN / GaN дуже важко через значну ширини забороненої зони GaN р-типу. Електрод повинен мати більш низький коефіцієнт взаємної дифузії компонентів. Для цього фахівці часто застосовують бар'єрний шар для усунення явищ електроміграціі. Питання токового освітлення в потужних напівпровідниках більш складні. Для їх вирішення потрібно підібрати підходящу конструкцію електрода світлодіода і вертикальний компонент електричного струму. Електроди з деяких матеріалів, наприклад з прозорого проводить оксиду індію-олова (ITO), або відображають металів (срібло) схильні до електроміграціі і температурної нестійкості.
Порушення робочої кромки - це велика проблема для світлодіодів на AlGaAs / GaAs, які випускають видиме світло, але не є такою для світлодіодів на InGaAsP. Окислення завдяки фотохимическим реакцій призводить до зростання показників порогового струму, і, як наслідок, до скорочення терміну служби світлодіода. Ще одним видом поломки робочої кромки може бути так званий катастрофічний оптичний дефект (КОД). У цьому випадку потужність світлової енергії перевищує встановлений рівень, і робоча кромка починає плавитися. Відмова оптоелектронних приладів, в нормальних умовах нечутливих до деградації кромки, може бути спровокований порушеннями при обробці, сторонніми забрудненнями і недоліками самого матеріалу.
3. Термічна деградація.
Термічна деградація через каверн у припої часто превалює в напівпровідниках в перші 10000 годин експлуатації. Обсяг тепла, яке випромінює світлодіод в ході роботи, вимагає їх установки на радіатор або теплопоглинальних підкладку за допомогою припою. Якщо каверни в припої заважають оптимальному відведення тепла, що утворюються гарячі точки провокують теплову деградацію, що приводить до відмови. Причиною формування каверн у припої може бути порушення умов обробки або дифузії металу на кордоні з'єднання (т.зв. каверни по Кіркендаллу). Крім того, до формування каверн може призводити електроміграціі. Якщо через метал проходить досить великий струм, вакансії і іони металів переміщаються до протилежних полюсів, що призводить до формування каверн (вакансії), кристалів, горбків і віскерів. Збільшення віскерів може бути спровоковано дією внутрішніх напружень, температури, вологості і специфіки самого матеріалу. Він, як правило, відбувається на кордоні між припоєм і радіатором і може привести до К3.
4. ЕР і електрична перевантаження
Напівпровідники дуже сприйнятливі до впливів електростатичних розрядів. (ЕСР), які можуть бути причиною несподіваних відмов, параметричних змін або внутрішніх порушень, що призводить до погіршення роботи протягом подальшої експлуатації. Відповідно до наявних нормативами, сприйнятливість світлодіодів до ЕСР повинна перевищувати 100 В при випробуванні на муляжі людського тіла. Збої через перевантаження і ЕСР - це дуже велика проблема в роботі світлодіодів. Щоб досягти потрібного класу ЕСР, розробники часто застосовують діод Зинера або бар'єр Шотки. Багато InGaN / GaN світлодіоди, призначені для продажу, базуються на сапфірових підкладках, у яких відсутня електрична провідність. Це є причиною виникнення залишкового електричного заряду в приладі, підвищуючи його сприйнятливість до порушень, обумовленим електростатичним зарядом і перевантаженням.
5. Термічна втома і коротке замикання
Різниця коефіцієнтів термічного розширення у сполучених частин і припою є причиною формування механічної напруги на етапі виробництва, пов'язаних з термоціклірованіе. Як правило, термічна втома з'являється в приладах, вироблених із застосуванням м'якого припою. Світлодіоди, вироблені із застосуванням твердого припою відносно стійкі до стійкої термічної навантаженні. Через високий ступінь змочуваності припій на основі олова часто переливається через край контактної площадки, що може викликати коротке замикання. Помилки можуть бути допущені і при складанні корпусу. Причинами можуть бути герметик, електродні висновки і фосфор. Теплові напруги в герметике - це найбільш поширена причина відмови роботи напівпровідника. Коли через електричної перевантаження або високої зовнішньої температури температура корпусу збігається з температурою переходу скляного наповнювача герметика (Tg), смола швидко розширюється. Перепад коефіцієнтів термічного розширення внутрішніх елементів світлодіода може стати причиною механічного пошкодження. Дуже низькі температури, як правило, призводять до появи тріщин в епоксидної композиції - матеріалу, з якого виготовлені лінзи. Через велику внутрішнього нагріву і невипромінюючі рекомбінації температура може різко підвищитися до 150 С. що може стати причиною пожовтіння епоксидної композиції. У підсумку це змінює вихідну оптичну потужність або колір випромінюваного світла. Що стосується розбіжності індексів заломлення герметика і напівпровідникового матеріалу зроблений світло затримується всередині напівпровідника, і в підсумку формується додаткове джерело тепла. Після перегріву епоксидної композиції може статися розрив або переміщення електродного виведення і зменшення міцності кріплення кристала і підкладки. А це може призвести до відокремлення кристала і епоксидної композиції.
Ще одним фактором виникнення обриву в приладі можуть бути механічні пошкодження, викликані свинцевими провідниками. Порушення норм, встановлених для тиску, положення і напрямки в процесі пайки висновків призводить до формування механічної напруги при звичайній робочій температурі і викривлення висновків в критичній близькості від кристала світлодіода. У багатьох білих світлодіодах застосовується жовтий або червоний / зелений люмінофор. Він схильний до термічної деградації. Якщо розробник одночасно застосовує два або більше різних люмінофора, компоненти повинні володіти порівнянним часом життя і параметрами деградації, щоб випромінюється колір був насиченим. Колірна температура і чистота кольору теж знижуються в процесі роботи.