Срок службы сверхярких светодиодов. Причины отказов

Введение в понятия «отказов» и «срока службы» светодиодов

Многие производители светодиодов заявляют срок службы до 100000 часов непрерывной работы. Тем не менее, эта цифра вводит в заблуждение, и во многом зависит от качества продукции, от условий ее использования, а также от критериев оценки надежности светодиодов.

Даже при использовании высококачественных компонентов, уменьшение светового потока неизбежно — это связанно с множеством факторов, таких как условиями отвода тепла, температуры окружающей среды и вентиляции, влажности и других параметров. Условия эксплуатации, такие как величина и нестабильность тока могут также существенно сократить срок службы. В настоящий момент не существует никаких стандартов, определяющих срок службы и критерии надежности для светодиодов, хотя и существуют предложения авторитетных организаций считать сроком службы время, в течении которого световой поток деградирует до некоторого значения (30%) от начальной величины. Некоторые компании предпочли разработать собственные методы прогнозирования срока службы и надежности на основе данных, полученных от потребителей, но ограниченный объем продукции большинства поставщиков препятствует реализации этого подхода.

Хотя в большинстве случаев характеристики светодиодов ухудшаются постепенно, также наблюдались внезапные отказы из-за роста дислокаций с периферии активной области, разрушения p-n-перехода, роста дислокаций с окисленного торца или промежуточной области, разделяющей торец и диэлектрическое покрытие, и катастрофического оптического повреждения. Во-вторых, потребители, работающие со светодиодами, давно поняли, что их надежность, в особенности в части скорости деградации, часто зависит от поставщика компонентов. Знание этих двух жестких ограничений требует выработки тестов на долговечность на основе фундаментального понимания механизмов отказа.

Классификация основных отказов

Потребители, работающие со светодиодами, обычно определяют уровень выходной мощности, при котором вся система выйдет из строя, и затем используют физические модели для прогнозирования времени наработки на отказ. Четкое определение отказа является наиболее критическим местом, и большинство производителей и потребителей имеют собственное мнение о том, когда оптоэлектронный прибор можно считать вышедшим из строя. Один из методов определения отказа заключается в том, чтобы зафиксировать ток и следить за выходной мощностью прибора, считая прибор неработоспособным при падении выходной мощности ниже определенного уровня (обычно от 20% до 50 %) от исходной величины.

Другой метод основан на контроле падения выходной мощности прибора и его компенсации путем увеличения управляющего тока. Когда управляющий ток достигает определенной относительной величины (30%) прибор считается вышедшим из строя. Некоторые механизмы отказа и дефекты также могут инициировать выход из строя светодиодов. Специалисты по надежности не должны фокусироваться исключительно на влиянии температуры и плотности тока, потому что такой подход может привести к неверному отбору продуктов.

Деградация активной области

Излучение света в светодиоде происходит в результате рекомбинации инжектированных носителей в активной области. Зарождение и рост дислокаций, также как преципитация узловых атомов, приводит к деградации внутренней части этой области. Эти процессы могут осуществиться только при наличии дефекта кристаллической структуры; высокая плотность инжектированного тока, разогрев из-за инжектированного тока и тока утечки, а также испускаемый свет ускоряют развитие дефекта. Выбор материала также имеет значение, так как система AlGaAs/GaAs гораздо более чувствительна к этому механизму отказа, чем система InGaAs (P)/InP. Система InGaN/GaN (для голубого и зеленого излучения) нечувствительна к дефектам, подобным описанным выше. В активных областях этих диодов могут встречаться простые p-n-переходы, встроенные гетероструктуры и множественные квантовые ямы.

На границах раздела таких структур неизбежны изменения химического состава или даже параметров решетки. При высоком уровне инжекции химические компоненты могут мигрировать путем электромиграции в другие области. Структурные изменения порождают кристаллические дефекты наподобие дислокаций и точечных дефектов, которые ведут себя как неизлучающие центры, препятствующие естественной излучающей рекомбинации и в результате генерирующие дополнительное тепло внутри активного слоя.

Деградация электродов

Деградация электродов в светодиодах в основном имеет место на электроде р-области (обычно прибор состоит из подложки n-типа, и электрод р-области формируется вблизи активной области прибора). Основная причина деградации электрода заключается в диффузии металла во внутреннюю область (так называемая периферийная диффузия) полупроводника. Диффузия усиливается с увеличением инжектированного тока и температуры. К сожалению, выбрать подходящий материал для омического контакта к р-области систем InGaN/GaN довольно сложно из-за большой ширины запрещенной зоны GaN р-типа.

Из-за того, что электрод должен обладать меньшим коэффициентом взаимной диффузии составляющих, инженеры иногда применяют барьерный слоя для подавления эффектов электромиграции. Проблемы с токовым насыщением в мощных светодиодах более серьезны. Для решения этих проблем инженерам нужно оптимизировать конструкцию электрода и вертикальную составляющую электрического тока. Электроды из некоторых материалов, таких как прозрачный проводящий оксид индия-олова (ITO), или отражающих металлов (серебро) подвержены таким проблемам как электромиграция и термическая нестабильность.

Деградация рабочей кромки является серьезной проблемой для светодиодов на AlGaAs/GaAs, излучающих видимый свет, но нехарактерна для светодиодов диодов на InGaAsP. Окисление путем фотохимических реакций приводит к увеличенным значениям порогового тока и, соответственно, уменьшению времени жизни светодиода. Другим типом отказа рабочей кромки является так называемый катастрофический оптический дефект (КОД) — когда величина световой энергии превосходит определенный уровень и рабочая кромка начинает плавиться. Отказ оптоэлектронных приборов, в обычных условиях устойчивых к деградации рабочей кромки, может быть инициирован повреждениями при обработке, посторонними загрязнения и дефектами материала.

Термическая деградация

Количество тепла, выделяющееся при работе светодиодов, требует их монтажа на радиатор или теплопоглощающую подлодку, часто с помощью припоя. Если каверны в припое создают условия для недостаточного отвода тепла, возникающие горячие точки приводят тепловой деградации и отказу. Тепловая деградация из-за каверн в припое часто доминирует в светодиодах в первые 10000 часов работы. Образование каверн в припое может происходить из-за нарушения условий обработки или диффузии металла на границе раздела (каверны по Киркендаллу). Также образование каверн может происходить из-за электромиграции.

Когда в металле протекает достаточно большой ток, вакансии и ионы металлов мигрируют к противоположным полюсам, приводя к образованию каверн (вакансии), кристаллов, бугорков и вискеров. Рост вискеров, который может начаться под действием внутренних напряжений, температуры, влажности и особенностей материала, обычно происходит на границе между припоем и радиатором и может привести к короткому замыканию.

Электростатический разряд и электрическая перегрузка

Полупроводники чувствительны к дефектам, вызванным электростатическим разрядом (ЭСР). Видами отказа из-за ЭСР могут быть внезапный отказ, параметрические сдвиги или внутреннее повреждение, приводящее к деградации в процессе последующей эксплуатации. Согласно существующим нормативам, чувствительность светодиодов к ЭСР должна быть больше 100 В при тестировании на модели человеческого тела. Пробой из-за перегрузки и ЭСР являются существенной проблемой для светодиодов. Иногда разработчики используют диод Зинера или барьер Шотки для достижения определенного класса по ЭСР. Большинство коммерческих InGaN/GaN светодиодов формируется на сапфировых подложках, не имеющих электрической проводимости. Это приводит к появлению остаточного электрического заряда в приборе, что делает его более чувствительным к повреждениям, вызванным электростатическим разрядом и перегрузкой.

Термическая усталость и короткое замыкание

Разница в коэффициенте термического расширения у соединенных частей и припоя приводит к появлению механических напряжений на этапе изготовления, связанного с термоциклированием, которые могут вызывать расслоение в соединенных частях. Когда мощный прибор подвергается циклической нагрузке, поведение приборов, изготовленных, например, с использованием твердого припоя и мягкого припоя, может различаться. Термическая усталость обычно наблюдается в приборах, изготовленных с использованием мягкого припоя, в то время как приборы, изготовленные с использованием твердого припоя, стабильны при циклической термической нагрузке. Иногда несоответствующий припой и технологический контроль может привести к короткому замыканию в приборе. Благодаря относительно высокой смачиваемости, припой на основе олова может перелиться через край контактной площадки и сформировать закоротку. Отказы, связанные со сборкой в корпус, могут вызываться герметиком, электродными выводами и фосфором.

Термические напряжения в герметике являются наиболее частой причиной отказа в светодиодах. Если — вследствие электрической перегрузки или высокой внешней температуры — температура корпуса достигает температуры перехода стеклянного наполнителя герметика (Tg), смола начинает быстро расширяться. Разница в коэффициенте термического расширения внутренних компонентов светодиода может привести к механическому повреждению. При очень низких температурах может произойти растрескивание эпоксидной композиции, из которой изготовлены линзы. Высокая температура, вызванная внутренним нагревом и неизлучающей рекомбинацией, и достигающая 150 С, приводит к пожелтению эпоксидной композиции, что в результате меняет выходную оптическую мощность или цвет излучаемого света. Если индекс преломления герметика не соответствует индексу преломления полупроводникового мате-риала, индуцированный свет остается в полупроводнике, в результате чего возникает дополнительный источник тепла. В результате перегрева эпоксидной композиции может происходить разрыв или отделение электродного вывода и снижение прочности соединения кристалла с подложкой. Эти проблемы в свою очередь могут привести к отслоению кристалла и эпоксидной композиции.

Механические напряжения, вызванные свинцовыми проводниками являются еще одной причиной, в результате которой в приборе может появиться обрыв. Несоблюдение требований к давлению, положению и направлению в процессе пайки выводов может привести к появлению механических напряжений при нормальной рабочей температуре и изгибанию выводов в опасной близости от кристалла светодиода. Большинство белых светодиодов используют желтый или красный/зеленый люминофор, которые подвержены термической деградации. Когда разработчики смешивают два или более различных люминофора, составляющие должны иметь сравнимое время жизни и характер деградации для обеспечения насыщенности цвета. Цветовая температура и чистота цвета люминофора также деградируют со временем.

к.т.н. Годовицын И. В.

Московский Государственный Институт Электронной Техники