Introducere în conceptele "eșec" și "durata de viață" a LED-urilor
Mulți producători de LED-uri pretind o durată de viață de până la 100.000 de ore de funcționare continuă. Cu toate acestea, această cifră este înșelătoare și, în multe privințe, depinde de calitatea produselor, de condițiile de utilizare și de criteriile de evaluare a fiabilității LED-urilor.
Cu toate că, în cele mai multe cazuri, caracteristicile LED-urilor se deterioreze treptat, a observat, de asemenea, un eșec bruscă datorită creșterii dislocațiilor de la periferia regiunii active, distrugerea p-n-tranziție, creștere oxidat sfârșitul luxație sau o regiune intermediară care separă fața frontală și învelișul dielectric și prejudiciul optice catastrofale. În al doilea rând, consumatorii care lucrează cu LED-uri, mult timp înțeles că fiabilitatea acestora, în special în ceea ce privește rata de degradare, de multe ori depinde de furnizorul de componente. Cunoașterea acestor două constrângeri rigide necesită dezvoltarea de teste pentru longevitate pe baza unei înțelegeri fundamentale a mecanismelor de eșec.
Clasificarea defectelor de bază
Consumatori care lucrează cu LED-uri. determină de obicei nivelul de putere de ieșire la care întregul sistem va eșua și apoi se vor folosi modele fizice pentru a anticipa timpul dintre eșecuri. O definiție clară a eșecului este locul cel mai critic, iar majoritatea producătorilor și consumatorilor au propria opinie despre când un dispozitiv optoelectronic poate fi considerat necorespunzător. Una dintre metodele de determinare a defecțiunilor este fixarea curentului și monitorizarea puterii de ieșire a dispozitivului, presupunând că dispozitivul este inoperabil când puterea de ieșire scade sub un anumit nivel (de obicei de la 20% la 50%) din valoarea inițială.
O altă metodă se bazează pe controlul scăderii puterii de ieșire a instrumentului și compensarea acestuia prin creșterea curentului de control. Când curentul de comandă atinge o anumită valoare relativă (30%), dispozitivul este considerat necorespunzător. Unele mecanisme de defectare și defecte pot declanșa de asemenea o defecțiune a LED-urilor. Fiabilitatea profesioniștilor nu ar trebui să se concentreze doar pe influența temperaturii și densității de curent, deoarece o astfel de abordare poate duce la o selecție incorectă a produselor.
Degradarea zonei active
La interfețele unor astfel de structuri, schimbările în compoziția chimică sau chiar parametrii zăbrelelor sunt inevitabile. La un nivel ridicat de injectare, componentele chimice pot migra prin electromigrare în alte zone. Modificările structurale generează defecte cristaline, cum ar fi dislocații și defecte punctuale care acționează ca centre neradiative stânjenesc recombinarea radiativă naturale și ca rezultat generarea de căldură suplimentară în stratul activ.
Degradarea electrozilor
Degradarea electrozilor în LED-uri are loc în principal la electrodul regiunii p (de obicei dispozitivul constă dintr-un substrat de tip n și electrodul din regiunea p este format în apropierea regiunii active a dispozitivului). Motivul principal al degradării electrodului este difuzia metalului în zona interioară (așa-numita difuzie periferică) a semiconductorului. Difuzia crește odată cu creșterea curentului și temperaturii injectate. Din păcate, este destul de dificil să alegem un material adecvat pentru contactul ohmic cu regiunea p a sistemelor InGaN / GaN, datorită lățimii mari a benzii GaN interzise de tip p.
Datorită faptului că electrodul trebuie să aibă un coeficient mai mic de difuzie reciprocă a componentelor, inginerii aplică uneori un strat de barieră pentru a suprima efectele electromigrației. Problemele legate de saturația curentă în LED-urile de mare putere sunt mai grave. Pentru a rezolva aceste probleme, inginerii trebuie să optimizeze proiectarea electrodului și a componentei verticale a curentului electric. Electrozii din anumite materiale, cum ar fi oxidul indiu-staniu conductiv transparent (ITO) sau metalele reflexive (argint) sunt supuse unor probleme cum ar fi electromigrarea și instabilitatea termică.
Degradarea marginii de lucru este o problemă serioasă pentru LED-urile pe AlGaAs / GaAs care emit lumină vizibilă, dar nu este caracteristică pentru LED-urile pe InGaAsP. Oxidarea prin reacții fotochimice conduce la creșterea valorilor curentului de prag și, în consecință, la o scădere a duratei de viață a LED-ului. Un alt tip de defecțiune a marginii de lucru este așa-numitul defect optic catastrofal (RCD) - atunci când cantitatea de energie lumină depășește un anumit nivel și marginea de lucru începe să se topească. Defectarea dispozitivelor optoelectronice, în condiții normale, rezistente la degradarea muchiei de lucru, poate fi inițiată prin deteriorarea în timpul procesării, contaminarea străină și defectele materiale.
Degradarea termică
Cantitatea de căldură eliberată când LED-urile funcționează. necesită montarea lor pe un radiator sau un submarin absorbant de căldură, adesea cu ajutorul lipirii. Dacă cavernele din lipire creează condiții pentru îndepărtarea insuficientă a căldurii, punctele fierbinți care rezultă conduc la degradarea termică și la defecțiuni. Degradarea termică datorată cavernelor de lipire este dominată de LED-uri în primele 10.000 de ore de funcționare. Formarea de caverne în lipit poate să apară din cauza unei încălcări a condițiilor de prelucrare sau a difuziei de metal la interfață (caverne Kirkendall). De asemenea, formarea de caverne poate apărea datorită electromigrației.
Atunci când un curent suficient de mare curge într-un metal, locurile de muncă și ionii metalici migrează spre stâlpii opuși, ducând la formarea de caverne (vacanțe), cristale, tuberculi și mustăți. Creșterea musturilor, care poate începe sub influența tensiunilor interne, a temperaturii, a umidității și a caracteristicilor materialelor,
Descărcare electrostatică și suprasarcină electrică
Semiconductorii sunt sensibili la defectele cauzate de descărcarea electrostatică (ESD). Tipurile de defecțiuni datorate ESR pot fi o eroare bruscă, schimbări parametrice sau deteriorări interne care conduc la degradare în timpul funcționării ulterioare. Conform reglementărilor existente, sensibilitatea LED-urilor la ESD ar trebui să fie mai mare de 100 V atunci când este testat pe un model al corpului uman. Defalcarea datorată supraîncărcării și ESR reprezintă o problemă semnificativă pentru LED-uri. Uneori, dezvoltatorii folosesc dioda Zener sau bariera Schottky pentru a atinge o anumită clasă ESR. Cele mai comerciale LED-uri InGaN / GaN sunt formate pe substraturi safir care nu au conductivitate electrica. Aceasta duce la apariția unei încărcări electrice reziduale în dispozitiv, ceea ce îl face mai sensibil la pagubele cauzate de descărcarea electrostatică și suprasarcină.
Oboseală termică și scurtcircuit
Diferența coeficientului de dilatare termică a pieselor conectate și a lipiturilor conduce la apariția solicitărilor mecanice în faza de fabricație asociată ciclului termic, ceea ce poate duce la stratificare în părțile conectate. Atunci când un dispozitiv puternic este supus încărcării ciclice, comportamentul dispozitivelor fabricate, de exemplu, cu ajutorul materialului de lipire și a lipirii moi, poate varia. Oboseala termică se observă, de obicei, la instrumentele fabricate prin lipire moale, în timp ce dispozitivele fabricate cu lipire sunt stabile în condiții de solicitare termică ciclică. Uneori, lipirea necorespunzătoare și controlul procesului pot cauza un scurtcircuit în aparat. Datorită umidității relativ ridicate, banda de lipit pe bază de staniu se poate turna peste marginea plăcii și formează un scurtcircuit. Defecțiunile asociate ansamblului în carcasă pot fi cauzate de dispozitivul de etanșare, de terminalele electrodului și de fosfor.
Rezistența termică la etanșanți este cea mai frecventă cauză de defectare a LED-urilor. În cazul în care - din cauza suprasolicitării electrice sau temperatură exterioară ridicată, - temperatura corpului atinge temperatura de tranziție vitroasă a umpluturii etanșant (Tg), rășina începe să se extindă rapid. Diferența dintre coeficientul de dilatare termică a componentelor interne ale LED-ului poate duce la deteriorarea mecanică. La temperaturi foarte scăzute, poate apărea fisurarea compoziției epoxidice din care sunt realizate lentilele. induse de căldură de încălzire internă și non-emițătoare de recombinare, și ajungând la 150 C, duce la îngălbenirea compoziției epoxi, ca urmare a modificărilor sau optice putere de ieșire de culoare emisă. Dacă etanșantul nu se potrivește cu indicele de refracție al indicelui de refracție al materialului semiconductor este indusă de lumină în semiconductoare, rezultând într-o sursă suplimentară de căldură. Ca rezultat, supraîncălzirea compoziției epoxi poate fi un decalaj sau separarea terminalului electrodului și reducerea rezistenței compusului cristal la substrat. Aceste probleme, la rândul lor, pot duce la desprinderea compoziției de cristal și epoxidic.
tensiuni mecanice cauzate de conductori de plumb sunt un alt motiv pentru care a rezultat într-un instrument deschis poate să apară. Nerespectarea cerințelor de presiune, poziția și direcția terminalelor în timpul lipirii poate provoca tensiuni mecanice la temperatura normală de funcționare și PIN îndoire periculos de aproape de cipul LED. Cele mai multe LED-uri albe folosesc fosfor galben sau roșu / verde, care sunt supuse degradării termice. Când dezvoltatorii se amestecă două sau mai multe componente de fosfor diferite ar trebui să aibă o durată de viață comparabilă și caracterul de degradare pentru saturația culorii. Temperatura de culoare și puritatea culorii fosforului se degradează și în timp.
Ph.D. I. Godovitsyn
Institutul de Stat de Tehnologie Electronică din Moscova
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: