Срок службы сверхярких светодиодов. Причины отказов

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

Хотя интерес компаний на рынке систем освещения продолжает расти к светодиодам, как к перспективному источнику света, тем не менее, имеются существенные предостережения, которые необходимо учитывать. Не так давно появившиеся новые продукты на основе сверхярких светодиодов, и даже уже успевшие стать весьма «модными», далеко не всегда были проверены сколь-нибудь дли-тельным периодом времени. Многие производители светодиодов заявляют срок службы до 100000 часов непрерывной работы. Тем не менее, эта цифра вводит в заблуждение, и во многом зави-сит от качества продукции, от условий ее использования, а также от критериев оценки надежности светодиодов.

Даже при использовании высококачественных компонентов, уменьшение светового пото-ка 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 светодио-дов, хотя и существуют предложения авторитетных организаций считать сроком службы время, в течении которого световой поток деградирует до некоторого значения (например, 50%) от начальной величины. Некоторые компании предпочли разработать собственные методы прогнозирования срока службы и надежности на основе данных, полученных от потребителей, но ограниченный объем про-дукции большинства поставщиков препятствует реализации этого подхода.

Еще больше недостатков обнаруживается в применении эмпирических методов прогнозирования, когда это касается надежности оптоэлектронных приборов. Во-первых, наиболее типичным видом отказа светодиодов является посте-пенная деградация выходной мощности в процессе эксплуатации. Однако, существующие стандарты оперируют информацией только в терминах постоянной интенсивности отказов.

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 ко-тором вся система выйдет из строя, и затем используют физические модели для прогнозирования вре-мени наработки на отказ. Четкое определение отказа является наиболее критическим местом, и большинство производителей и потребителей имеют собственное мнение о том, когда оптоэлектрон-ный 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 неработо-способным 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 (например, 50%) прибор считается вышедшим из строя. Некоторые механиз-мы 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, приво-дит к деградации внутренней части этой области. Эти процессы могут осуществиться только при нали-чии 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 излуче-ния) 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 электроми-грации 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 электромигра-ции. Проблемы с токовым насыщением в мощных светодиодах более серьезны. Для решения этих про-блем инженерам нужно оптимизировать конструкцию электрода и вертикальную составляющую элек-трического тока. Электроды из некоторых материалов, таких как прозрачный проводящий оксид ин-дия-олова (ITO), или отражающих металлов (серебро) подвержены таким проблемам как электроми-грация 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 оптоэлек-тронных приборов, в обычных условиях устойчивых к деградации рабочей кромки, может быть ини-циирован повреждениями при обработке, посторонними загрязнения и дефектами материала.

Термическая деградация

Количество тепла, выделяющееся при работе светодиодов, требует их монтажа на радиатор или тепло-поглощающую подлодку, часто с помощью припоя. Если каверны в припое создают условия для недос-таточного отвода тепла, возникающие горячие точки приводят тепловой деградации и отказу. Тепло-вая 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 (т.н. каверны по Киркендаллу). Также образование каверн может проис-ходить из-за электромиграции.

Когда в металле протекает достаточно большой ток, вакансии и ионы металлов мигрируют к противоположным полюсам, приводя к образованию каверн (вакансии), кри-сталлов, бугорков и вискеров. Рост вискеров, который может начаться под действием внутренних на-пряжений, 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 нормати-вам, чувствительность светодиодов к ЭСР должна быть больше 100 В при тестировании на модели че-ловеческого тела. Пробой из-за перегрузки и ЭСР являются существенной проблемой для светодиодов. Иногда разработчики используют диод Зинера или барьер Шотки для достижения определенного клас-са по ЭСР. Большинство коммерческих InGaN/GaN светодиодов формируется на сапфировых подлож-ках, не имеющих электрической проводимости. Это приводит к появлению остаточного электрического заряда в приборе, что делает его более чувствительным к повреждениям, вызванным электростатиче-ским 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 цикли-ческой нагрузке, поведение приборов, изготовленных, например, с использованием твердого припоя и мягкого припоя, может различаться. Термическая усталость обычно наблюдается в приборах, изго-товленных с использованием мягкого припоя, в то время как приборы, изготовленные с использованием твердого припоя, стабильны при циклической термической нагрузке. Иногда несоот-ветствующий 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 пере-грузки 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. Ес-ли 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 отде-ление электродного вывода и снижение прочности соединения кристалла с подложкой. Эти проблемы в свою очередь могут привести к отслоению кристалла и эпоксидной композиции.

Механические на-пряжения, 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 тер-мической деградации. Когда разработчики смешивают два или более различных люминофора, состав-ляющие 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