LED的發(fā)光源是由所謂的III-V化合物所構(gòu)成,，即大家熟知的磊晶晶粒(chip),，該固態(tài)化合物本身性質(zhì)很安定，在產(chǎn)品所規(guī)范的條件下使用并不易損壞,，而處于一般的應(yīng)用環(huán)境中也不起化學(xué)反應(yīng),，因此擁有較長的產(chǎn)品壽命。然而,，為使該LED chip發(fā)光,，必須由外界通入電流，因此一般會把尺寸很小的chip黏貼在特定的載臺(或稱導(dǎo)線架)上并以金屬線或銲錫等材料連接chip的正負兩極,，然后用高分子材料包復(fù)整個載臺,，這就是所謂的封裝制程，經(jīng)過這段制程后成為市面上常見一顆顆的LED燈粒,。在實際應(yīng)用時,，還會視所需把數(shù)顆LED燈粒組裝成模組，最后再與其它功能的模組組合成為終端產(chǎn)品,。

　　從上可知,，一個LED產(chǎn)品的失效，起因可能來自于該產(chǎn)品的任何一個部份,，故必須抽絲剝繭方能找到真正的失效原因,。針對失效來自LED燈粒而言，因完整的LED燈粒中,，LED chip本身很強壯,，但包復(fù)chip的封裝材料則易遭受損傷，因此,，LED燈粒的失效多可歸因于封裝材料的破壞或劣化所導(dǎo)致,。若要充分解析這類失效，牽涉到光學(xué),、化學(xué),、材料學(xué)、電子物理學(xué)等領(lǐng)域的專業(yè)知識,，并搭配精密的儀器與豐富的實務(wù)經(jīng)驗,，才能確認失效點并推導(dǎo)真因,，進而提出改善對策。

　　1. 不亮：這種失效是指LED通電后完全不發(fā)光,。一般而言,，導(dǎo)電路徑上的 ”斷路(open)＂是本類失效的主因之一，確認斷路的方法也十分簡易,，以常見的三用電表就可驗證,。不過，要找到斷路點就必須做進一步的解析,，例如：可用X-ray來確認打線是否斷線或脫離,、用SEM(掃瞄式電子顯微鏡)觀察剖面結(jié)構(gòu)可檢查黏晶部份的缺陷等等。本類失效的第二個主因是 ”短路(short)” ,，這是因為電流未確實通過LED chip,，而是流經(jīng)”旁門左道”，故LED燈粒自然不會發(fā)光,，如：因發(fā)生電子遷移導(dǎo)致電極金屬原子的不正常擴散,，譬如氧化銦錫(ITO)、銀或是GaN/InGaN二極管中的阻擋層金屬等都可能因機械應(yīng)力,、高電流密度或在腐蝕性的環(huán)境發(fā)生此類異狀,。其它的原因可能是打線偏移、黏晶膠爬膠等等,。這種失效必須利用I-V curve(電流-電壓圖)才能判定,，至于失效點因為從外觀無法檢查到上述缺陷，故需先以X-ray來確認,；或是化學(xué)溶液去除LED封裝材料后,，再使用光學(xué)(OM)或電子顯微鏡(SEM)仔細檢查。

 短路爬膠 

開路斷線

　　2. 變色：這類失效是指LED不點亮的狀況下,，外觀顏色或膠材透明度與新品不同,，用肉眼即可看出，通常在產(chǎn)品使用一段時間或在做完可靠度試驗后發(fā)生,。一般說來,，變色區(qū)域大致可區(qū)分為發(fā)生在導(dǎo)線架或封裝膠材兩類，若發(fā)生在導(dǎo)線架,，通常是因為表面與環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),，如氧化或硫化，要分辨屬于哪種需仰賴成份分析,，可使用的儀器包含有EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscope),、XPS(X-ray Photoelectron Spectrometer)、AES(Augur Electron Spectroscope)等等。若是封裝用的膠材發(fā)生變色,，則屬于高分子材料的劣化現(xiàn)象,，如環(huán)氧樹脂易受高溫或是紫外光影響而變黃，因此白光LED多改采矽膠取代之,。分析此類失效應(yīng)特別留意,，因膠材本身有一定的透明度，有時變色的導(dǎo)線架因被膠材蓋住而誤判為膠材變色,，引導(dǎo)至錯誤的改善方向。

   支架變色

　　3. 光衰：這種失效系指LED發(fā)出的光強度低于新品,。如前面章節(jié)所述,，光衰程度已成為評判LED照明產(chǎn)品壽命的重要指標，所以這類失效的分析就相當重要,。整體來說,，本類失效的分析非常復(fù)雜，因為影響光強度的因素非常多,，如chip劣化,、反射杯的劣化、膠材與chip間脫層,、膠材透明度下降,、打線接合面電阻上升、熱阻太高等等,，若發(fā)生在白光LED,，則還需考慮螢光粉劣化的問題，因白光LED通常使用一或多種的螢光粉,，它們會受到熱或濕氣的影響而衰減并降低效率,，導(dǎo)致產(chǎn)出的光色改變。分析的手法包括有：非破壞檢測,，如外觀檢查,、LED電性曲線、積分球的光學(xué)特性等等,，用上述數(shù)據(jù)綜合判斷,，逐一排除，當推斷可能原因后,，接著進行破壞性分析,，利用樣品制備技術(shù)制作出適合的分析樣品，再輔以各種儀器如SAT(Scanning Acoustic Tomography)超音波掃瞄,、FTIR(Fourier Transform InfraRed)傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀,、TEM(Transmission Electron Microscope)穿透式電子顯微鏡、SEM(Scanning Electron Microscope)等等加以驗證，方能到真因,。

  白光LED光衰分析 – 黃光強度衰減

　　4. ESD失效：這是一種靜電放電所引起的chip破壞,，在MOS IC的產(chǎn)品中非常重視此現(xiàn)象，對LED而言,，過往因砷化鎵(GaAs)芯片本身可導(dǎo)電,，故這類問題并不常見，但因白光LED使用不導(dǎo)電的藍寶石基板,，而且基板與GaN等材料間因晶格不匹配會形成內(nèi)部缺陷(如差排),，對ESD的損害更為敏感。靜電的放電可能產(chǎn)生半導(dǎo)體接合點（junction）立即的失效或特性的永久漂移及潛在的損壞都會導(dǎo)致衰減的速率增加,。有幾種現(xiàn)象可用來幫助判斷chip是否遭受靜電破壞,，譬如反向偏壓漏電流大增、chip僅局部發(fā)光,、chip表面出現(xiàn)局部熔融點等等,。有時，一開始的靜電破壞的程度不高,，LED的電特性,、發(fā)光特性、chip表面完整性皆無異狀,，但這種破壞會因累積而逐漸明顯,，有時卻也可能安然度過整個產(chǎn)品生命周期，一旦生產(chǎn)線未做好靜電防護措施時,，所生產(chǎn)的產(chǎn)品的客退率將會忽高忽低,，面對這種現(xiàn)象，失效分析也未必可尋得真因,，因此做好生產(chǎn)線靜電防護措施才是最佳解決之道,。

ESD失效LED GaN材料I-V curve圖

     靜電放電破壞

　　5. 其他：突然間的失效常常是因為熱應(yīng)力所致，當環(huán)氧樹脂的封裝達到玻璃轉(zhuǎn)移溫度(Tg)時,，樹脂會很快速的膨脹,，在半導(dǎo)體和焊點接觸的位置產(chǎn)生機械應(yīng)力來弱化或扯斷它，而在非常低的溫度時則會讓封裝產(chǎn)生裂痕,。   此外,，高功率LED對電流的擁擠敏感，不均勻的電流密度分布在接合點（junction）上,，可能會產(chǎn)生局部的熱點,，存在熱燒毀的風(fēng)險，若再出現(xiàn)基板的熱傳不均勻,，將使問題變得更嚴重,，這常見于銲接材料的孔洞或是電子遷移效應(yīng)和Kirkendall空洞,，故熱燒毀亦是LED常見的失效模式。

　　結(jié)語：LED燈粒及chip的結(jié)構(gòu)與常見IC來比相對簡單,，但在應(yīng)用時卻同時涉及光,、電、熱等現(xiàn)象,，所以發(fā)生失效的原因較為復(fù)雜,，在失效分析時所執(zhí)行的步驟反而較為多元，同時LED chip與封裝結(jié)構(gòu)因?qū)＠?，各家產(chǎn)品并不相同,，分析時所需之樣品制備的復(fù)雜度也遠大于常規(guī)IC，因此優(yōu)良的樣品制作技術(shù),、完整的分析儀器加上豐富的經(jīng)驗綜合判斷,，才能獲得正確的失效分析結(jié)果。 

  LED失效原因魚骨圖   

 LED失效分析流程