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移动通信用片式蓝、白光LED器件可靠性探讨

2019-10-21吴美华

新材料产业 2019年2期
关键词:白光器件可靠性

吴美华

蓝、白光片式LED器件是当今半导体光源的宠儿,用作移动通信工具的显示光源更是一种时尚。自从1992年第1只氮化镓(GaN)基蓝色发光二极管问世后,其寿命和可靠性一直被世人所关注。GaN LED行业由于美、日等国的疯狂投入,其发展之迅速、成果之惊人,众所周知。我国在这方面做了大量的工作,取得了巨大的进展。早在20世纪90年代末,传统封装的蓝光器件已形成大规模生产,白光LED也已形成产业,工艺已基本成熟。伴随移动通信的发展,新型封装的片式LED也迅速扩展。对传统LED器件的可靠性的测评、失效模式的分析,已基本形成较固定的模式,传统封装的蓝、白光LED器件的可靠性也已有很多探讨。而对于移动通信用片式蓝、白光LED器件的可靠性测评、失效模式的预测则是一个新的领域,在这方面也有很多科研机构、生产厂家作过研究,并有一些报道。本文介绍了笔者所在公司对蓝、白光片式LED器件的可靠性测评方案及试验结果,结合笔者公司在蓝、白光片式LED器件可靠性方面作的一些探索,谈谈对移动通信用片式蓝、白光LED器件可靠性测评方案及试验情况、可靠性的影响因素及保证措施,与同行共同探讨。

1 产品可靠性的概念

产品的可靠性是指产品在使用过程中尽量不出故障、少出故障的一种特性,是产品质量的时间指标。用户不仅希望产品具有良好的功能,而且希望产品经久耐用,长时间保持其功能,不发生故障或很少发生故障,这种功能的持续能力就是可靠性。可靠性通常定义为产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的能力。由于功能的持续能力具有概率统计特性,因此可靠性也可以定义为产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的概率。

2 产品可靠性的实现途经

通常所说的产品可靠性是设计、生产和管理出来的,是通过“试验—分析—改进”的循环过程而不断提高和不断增长的。设计阶段是产品可靠性的奠基阶段,生产阶段是产品可靠性的保证阶段,对产品的试验、分析与改进是产品可靠性的改进和提高阶段。

通常,可靠性设计措施包括:产品结构设计、材料选择、可靠性工艺设计、可靠性试验设计等。为实现并保证移动通信用片蓝、白光片式LED器件的可靠性,从设计阶段开始,分析研究移动通信用片蓝、白光片式LED器件的可靠性指标,进行产品故障模式、影响及危害性分析,对该类产品进行可靠性的结构设计,装配方式、光电参数性能、材料、工艺方案、试验方案等设计,编制了产品可靠性大纲,制定了可靠性工作计划,并对产品所用零部件和原材料选择和可靠性关键过程进行控制。为确定适合移动通信用蓝、白光LED器件并能保证可靠性,在试制、生产阶段对不同的方案进行对比分析并进行多批次可靠性试验。

3 产品可靠性工作计划

为确保移动通信用片式蓝、白光LED器件可靠性,根据移动通信用蓝、白光片式LED器件的特点,制定了可靠性工作计划,如表1所示。

4 可靠性试验方案及试验结果

根據多年传统LED及蓝、白光LED器件的生产经验、片式封装的结构特点及移动通信工具的使用特点,对移动通信用片式蓝、白光LED器件设计了可靠性试验方案并进行了可靠性测评试验,见表2。

按照试验方案进行了多次可靠性试验,上述试验数据表明,蓝、白光片式LED具有良好的可靠性,完全能满足移动通信工具的使用要求。

5 影响蓝、白光片式LED可靠性的因素及保证措施

目前SMD系列LED器件的用片式LED器件的结构主要为印刷电路板(PCB)片式LED,主要规格有0603,包括红、绿、黄、蓝、白等各种颜色。具有体积小、散射角大、发光均匀好、可靠性高等优点。由于片式LED产品结构的微小、超薄化及蓝、白光芯片的特殊性,因此其可靠性主要决定于芯片的质量、PCB板的设计极其材料的选择与质量、装配质量、采取的静电防护措施等,其他装配材料的质量对其可靠性也有影响。蓝色芯片的光衰也影响到LED器件的使用寿命,但经过试验分析,这种光衰能满足移动通信工具的使用寿命要求。下面分析影响蓝、白光片式LED可靠性的因素及保证措施。

5.1 芯片

蓝光片式LED采用GaN基蓝色芯片,白光则采用蓝芯通过加入YAG黄色荧光粉转换颜色而成。由于目前LED蓝色芯片绝大部分都是由三氧化二铝(AL2O3)+GaN基制成的,硬度特别大,难解理,大片切割成芯片,其各边侧面一般都很粗糙,对装配质量将造成一定影响,且易漏电同时由于蓝芯材料及工艺特点,其电极形状及光刻质量对产品的漏电、击穿影响较大。因此,在选用蓝色芯片时,选用侧面切割相对光滑、电极刻蚀形状好、电极间距离相对合理的芯片。为慎重起见,笔者所在公司选择了在蓝色芯片研发、制造方面处于领先地位的公司生产的多种型号的蓝色芯片进行试验。由于各厂商在MOCVD生长形成的P-N结及发光效率等差异,从对进料的近十个厂商的芯片检验和工艺验证、试验数据看,质量水平差别较大,如反向电流、正向压降、波长、光强的一致性,芯片的抗静电能力强弱不一等。通过多批次的验证比较,笔者公司对蓝芯供应商进行了优选确定,当然每批芯片还需经过严格的镜检和工艺验证。

5.2 PCB板

由于片式LED结构的微型化,PCB板的制造精度、镀层、表面质量对产品可靠性有至关重要的影响。有产品分析资料显示,在生产过程中有些产品的失效是芯片装配及焊线偏位所致,经分析即为PCB板精度问题。为了保证PCB板质量,笔者公司采用进口PCB板,并选取模具制作能力强的企业开模,同时对供应商提出了PCB板的质量要求:厚度均匀度<±0.05mm;镀层光亮牢固,经金线键合后拉力大于8g等,此要求在PCB板进货时即进行检验并上线试用。

5.3 其他装配材料

除芯片、PCB板外,其他装配材料如银浆、金丝、胶饼、荧光粉也很重要。虽然说这些材料对器件的质量寿命、可靠性带来的影响相对较小,但为了保证片式蓝、白光LED的质量水平,笔者公司所使用的银浆、金丝、胶饼、YAG荧光粉(555nm)等主要材料全部采用进口,且也是目前普遍认为质量能符合器件要求的。

5.4 装配工艺

目前片式蓝、白光LED器件普便采用全自动设备生产、检测,因此对设备的正确使用、维护和生产时设备工作状态控制非常重要。设备在引进安装及使用前,需对相关人员进行操作维护培训,并制定设备维护保养规定及责任制。经工艺技术人员多次摸索,各种型号片式LED产品生产时设备的操作要求已制定并形成了作业指导文件,操作人员按其操作,并记录设备工作时的变化情况,及时分析调整,确保装配的一致性及稳定可靠性。在片式蓝、白光LED生产过程中,各主要工序均设置了检验点,关键工序设置了质量控制点,以及时发现装配过程中的质量问题,及时分析处理,确保各工序质量受控。

5.5 静电防护

GaN基蓝色芯片因其正、负极均位于芯片上面,间距小,对于InGaN/ Al、GaN/GaN双异质结,InGaN活动薄层仅几十纳米,静电承受能力相对较弱,极易静电击穿,使器件失效。因而静电防护不当将直接影响产品的可靠性。在片式蓝、白光LED生产线采取了如下防静电措施:①防静电地面、台垫、离子风扇、手腕、包装袋、盒等;②设备接地;③制定防静电管理规定,对防静电设施进行检测、使用等管理。

6 结语

移动通信用片式LED作为一种新型器件,具有体积小、散射角大、发光均匀性好、节能、环保、寿命长等特点。通过选择优良的芯片、PCB板等材料,采取严格的装配工艺、静电防护等可靠性保证措施,其优良的光电性能和可靠性已得到证实。片式LED作为一种新型器件,不仅可用于移动通信,还可应用于各种电子产品,其市场前景十分广阔。

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