Термін служби надяскравих світлодіодів. Причини відмов

Введення в поняття «відмов» та «термін служби» світлодіодів. Багато виробників світлодіодів заявляють термін служби до 100000 годин безперервної роботи. Тим не менш, ця цифра вводить в оману і багато в чому залежить від якості продукції, від умов її використання, а також від критеріїв оцінки надійності світлодіодів. Навіть при використанні високоякісних компонентів, зменшення світлового потоку неминуче - це пов'язано з безліччю факторів, таких як умовами відведення тепла, температури навколишнього середовища та вентиляції, вологості та інших параметрів. Умови експлуатації, такі як величина та нестабільність струму можуть також суттєво скоротити термін служби. На даний момент не існує жодних стандартів, що визначають термін служби та критерії надійності для світлодіодів, хоча й існують пропозиції авторитетних організацій вважати терміном служби час, протягом якого світловий потік деградує до деякого значення (30%) від початкової величини.
Деякі компанії надали перевагу розробці власних методів прогнозування терміну служби та надійності на основі даних, отриманих від споживачів, але обмежений обсяг продукції більшості постачальників перешкоджає реалізації цього підходу.

Хоча в більшості випадків характеристики світлодіодів погіршуються поступово, також спостерігалися раптові відмови через зростання дислокацій з периферії активної області, руйнування p-n-переходу, зростання дислокацій з окисленого торця або проміжної області, що розділяє торець і діелектр катастрофічного оптичного ушкодження. По-друге, споживачі, які працюють зі світлодіодами, давно зрозуміли, що їхня надійність, особливо в частині швидкості деградації, часто залежить від постачальника компонентів. Знання цих двох жорстких обмежень потребує вироблення тестів на довговічність на основі фундаментального розуміння механізмів відмови.

Споживачі, що працюють зі світлодіодами, зазвичай визначають рівень вихідної потужності, при якому вся система вийде з ладу, а потім використовують фізичні моделі для прогнозування часу напрацювання на відмову. Чітке визначення відмови є найбільш критичним місцем, і більшість виробників і споживачів мають власну думку про те, коли оптоелектронний прилад можна вважати таким, що вийшов з ладу. Один з методів визначення відмови полягає в тому, щоб зафіксувати струм і стежити за вихідною потужністю приладу, вважаючи прилад непрацездатним при падінні вихідної потужності нижче за певний рівень (зазвичай від 20% до 50%) від вихідної величини. Інший метод заснований на контролі падіння вихідної потужності приладу та його компенсації шляхом збільшення струму, що управляє. Коли керуючий струм досягає певної відносної величини (30%), прилад вважається таким, що вийшов з ладу. Деякі механізми відмови і дефекти також можуть ініціювати вихід світлодіодів.

Фахівці з надійності не повинні фокусуватися виключно на вплив температури та щільності струму, тому що такий підхід може призвести до неправильного відбору продуктів. Деградація активної області Випромінювання світла у світлодіоді відбувається в результаті рекомбінації інжектованих носіїв активної області. Зародження та зростання дислокацій, також як преципітація вузлових атомів, призводить до деградації внутрішньої частини цієї галузі. Ці процеси можуть здійснитися тільки за наявності дефекту кристалічної структури; висока щільність інжектованого струму, розігрів через інжектований струм і струм витоку, а також світло, що випускається, прискорюють розвиток дефекту. Вибір матеріалу також має значення, оскільки система AlGaAs/GaAs набагато чутливіша до цього механізму відмови, ніж система InGaAs (P)/InP. Система InGaN/GaN (для блакитного та зеленого випромінювання) нечутлива до дефектів, подібних до описаних вище.

В активних областях цих діодів можуть зустрічатися прості p-n-переходи, вбудовані гетероструктури та множинні квантові ями. На межі розділу таких структур неминучі зміни хімічного складу чи навіть параметрів ґрат. При високому рівні інжекції хімічні компоненти можуть мігрувати електроміграції в інші області. Структурні зміни породжують кристалічні дефекти на кшталт дислокацій і точкових дефектів, які поводяться як центри, що не випромінюють, що перешкоджають природній випромінюючої рекомбінації і в результаті генерують додаткове тепло всередині активного шару. Деградація електродів Деградація електродів у світлодіодах в основному має місце на електроді р-області (зазвичай прилад складається з підкладки n-типу, і електрод р-області формується поблизу активної області приладу). Основна причина деградації електрода полягає в дифузії металу у внутрішню ділянку (так звана периферійна дифузія) напівпровідника. Дифузія посилюється зі збільшенням інжектованого струму та температури. На жаль, вибрати відповідній матеріал для омічного контакту до р-області систем InGaN/GaN досить складно через велику ширину забороненої зони GaN р-типу. Через те, що електрод повинен мати менший коефіцієнт взаємної дифузії складових, інженери іноді застосовують бар'єрний шар для придушення ефектів електроміграції. Проблеми з струмовим насиченням у потужних світлодіодах серйозніші.

Для вирішення цих проблем інженерам потрібно оптимізувати конструкцію електрода та вертикальну складову електричного струму. Електроди з деяких матеріалів, таких як прозорий провідний оксид індія-олова (ITO), або металів, що відбивають (срібло) схильні до таких проблем як електроміграція і термічна нестабільність.

Деградація робочої кромки є серйозною проблемою для світлодіодів на AlGaAs/GaAs , Що випромінюють видиме світло, але нехарактерна для світлодіодів діодів на InGaAsP. Окислення шляхом фотохімічних реакцій призводить до збільшених значень порогового струму і відповідно зменшення часу життя світлодіода.

Іншим типом відмови робочої кромки є так званий катастрофічний оптичний дефект (КОД) - коли величина світлової енергії перевершує певний рівень і робоча кромка починає плавитися. Відмова оптоелектронних приладів, у звичайних умовах стійких до деградації робочої кромки, може бути ініційована пошкодженнями при обробці, сторонніми забрудненнями та дефектами матеріалу. Термічна деградація Кількість тепла, що виділяється під час роботи світлодіодів, вимагає їх монтажу на радіатор або теплопоглинаючу підкладку, часто за допомогою припою. Якщо каверни в припої створюють умови для недостатнього відведення тепла, гарячі точки, що виникають, призводять до теплової деградації та відмови. Теплова деградація через каверни у припої часто домінує у світлодіодах у перші 10000 годин роботи. Освіта каверн у припої може відбуватися через порушення умов обробки або дифузії металу на межі розділу (каверни по Кіркендаллу). Також утворення каверн може відбуватися через електроміграцію. Коли в металі протікає досить великий струм, вакансії та іони металів мігрують до протилежних полюсів, призводячи до утворення каверн (вакансії), кристалів, горбків та віскерів. Зростання віскерів, яке може початися під дією внутрішньої напруги, температури, вологості та особливостей матеріалу, зазвичай відбувається на межі між припоєм і радіатором і може призвести до короткого замикання. Напівпровідники чутливі до дефектів, спричинених електростатичним розрядом (ЕСР). Види відмови через ЕСР можуть бути раптова відмова, параметричні зрушення або внутрішнє пошкодження, що призводить до деградації в процесі подальшої експлуатації. Відповідно до існуючих нормативів, чутливість світлодіодів до ЕСР має бути більшою за 100 В при тестуванні на моделі людського тіла. Пробою через навантаження та ЕСР є суттєвою проблемою для світлодіодів. Іноді розробники використовують діод Зінера або бар'єр Шотки для досягнення певного класу ЕСР.

Більшість комерційних InGaN/GaN світлодіодів формується на сапфірових підкладках, що не мають електричної провідності. Це призводить до появи залишкового електричного заряду в приладі, що робить його більш чутливим до пошкоджень, спричинених електростатичним розрядом та перевантаженням. Термічна втома та коротке замикання

Різниця у коефіцієнті термічного розширення у з'єднаних частин і припою призводить до появи механічних напруг на етапі виготовлення, пов'язаного з термоциклюванням, які можуть викликати розшарування в з'єднаних частинах. Коли потужний прилад піддається циклічному навантаженню, поведінка приладів, виготовлених, наприклад, з використанням твердого припою та м'якого припою може відрізнятися. Термічна втома зазвичай спостерігається в приладах, виготовлених з використанням м'якого припою, тоді як прилади, виготовлені з використанням твердого припою, стабільні при циклічному термічному навантаженні.

Іноді невідповідний припій та технологічний контроль можуть призвести до короткого замикання в приладі. Завдяки відносно високій змочуваності, припій на основі олова може перелитися через край контактного майданчика та сформувати замкнути доріжки. Відмови, пов'язані зі складанням у корпус, можуть викликатися герметиком, електродними висновками та фосфором. Термічна напруга в герметиці є найчастішою причиною відмови у світлодіодах. Якщо внаслідок електричного навантаження або високої зовнішньої температури температура корпусу досягає температури переходу скляного наповнювача герметика (Tg), смола починає швидко розширюватися. Різниця у коефіцієнті термічного розширення внутрішніх компонентів світлодіода може призвести до механічного пошкодження. При дуже низьких температурах може відбутися розтріскування епоксидної композиції,з якої виготовлені лінзи. Висока температура, викликана внутрішнім нагріванням і рекомбінацією, що не випромінює, і досягає 150 С, призводить до пожовтіння епоксидної композиції, що в результаті змінює вихідну оптичну потужність або колір випромінюваного світла. Якщо індекс заломлення герметика відповідає індексу заломлення напівпровідникового матеріалу, індуковане світло залишається у напівпровіднику, у результаті виникає додаткове джерело тепла. В результаті перегріву епоксидної композиції може відбуватися розрив або відділення виведення електродного і зниження міцності з'єднання кристала з підкладкою. Ці проблеми можуть призвести до відшарування кристала та епоксидної композиції.

Механічна напруга, викликана свинцевими провідниками є ще однією причиною, в результаті якої в приладі може з'явитися урвище. Недотримання вимог до тиску, положення та напрямку в процесі паяння висновків може призвести до появи механічних напруг при нормальній робочій температурі та згинання висновків у небезпечній близькості від кристала світлодіода.

Більшість білих світлодіодів використовують жовтий або червоний/зелений люмінофор, які піддаються термічній деградації. Коли розробники змішують два або більше різних люмінофора, складові повинні мати порівняний час життя та характер деградації для забезпечення насиченості кольору. Колірна температура та чистота кольору люмінофора також деградують згодом