《Microelectronics Reliability》：Localization method and failure cause analysis of leakage in LED chips
编辑推荐：
•已开发出用于LED故障分析的集成工作流程。•采用新型显微光热技术定位EMMI/OBIRCH无法检测的缺陷。•确定故障根本原因为焊球错位导致外延层断裂。•通过合格/不合格样品对比验证了光热方法的准确性。•提出了针对工艺控制与检测的实际建议。引言自从高效蓝色LED问世以来，它弥补了
- •
已开发出用于LED故障分析的集成工作流程。
- •
采用新型显微光热技术定位EMMI/OBIRCH无法检测的缺陷。
- •
确定故障根本原因为焊球错位导致外延层断裂。
- •
通过合格/不合格样品对比验证了光热方法的准确性。
- •
提出了针对工艺控制与检测的实际建议。
引言
自从高效蓝色LED问世以来，它弥补了红、绿、蓝三种基础光源的缺失，使得高效白光照明成为可能，LED也因此进入了数百万家庭。可以说，如今人们已经离不开LED。照明依然是其最核心的应用领域，同时LED还广泛应用于智能手表、手机、电脑显示器、智能家居照明、汽车照明以及景观照明等领域[1]、[2]、[3]、[4]。然而，正是由于LED应用如此广泛，人们对它的性能要求也越来越高。其中，可靠性是实现高质量发展的关键障碍，而故障分析则是提升可靠性的核心方法。
故障分析指的是产品出现故障后所开展的整个分析过程。它涉及运用特定的方法和测试技术，对产品的结构、材料以及制造工艺进行系统研究分析，最终找出故障机制，从而提出改进、优化及预防措施。LED故障分析已成为提升产品可靠性和生产良率的重要手段，因此也成为了学术界重点研究的方向[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。在整个LED故障分析流程中，缺陷定位属于电气分析范畴，是后续深入分析的关键步骤。准确定位缺陷位置能够帮助研究人员更快更精准地找到故障点，进而加快分析速度，提高效率[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。
目前，用于LED缺陷定位的主流技术包括发射显微镜（EMMI）[16]、红外热成像技术（THERMAL）[17]以及光束诱导电阻变化技术（OBIRCH）[18]。EMMI/OBIRCH探测器的核心光谱响应范围在0.9–1.55微米的短波红外波段，而THERMAL则主要工作在3–5微米的中波红外波段。不过，半导体材料在短波红外和中波红外波段的发射率都相对较低，这不利于信号的获取。例如，基于AlGaInP的外延层的发射率在长波红外波段（ε约0.2–0.5）要高于短波红外波段（ε约0.1–0.2）和中波红外波段（ε约0.15–0.25）[19]。这些数值只是典型AlGaInP外延层的参考值，实际发射率还会受到掺杂水平、表面粗糙度以及温度的影响。此外，这些技术的成像质量在很大程度上取决于宏观镜头的精度，要获得更高精度就需要投入大量资金[20]。另外，对于工作温度低于150摄氏度的普通LED器件而言，黑体辐射的峰值会向更长波长偏移，这使得长波红外波段对非辐射复合产生的热信号更为敏感。因此，长波红外技术除了能降低成本之外，还具有其他物理层面的优势。考虑到这些因素，本研究采用了非制冷非晶硅红外探测器，将其检测范围聚焦在长波红外波段，同时运用双线性插值算法对图像进行增强，使得图像放大倍率可达四倍，这样就大大减少了对高精度宏观镜头的需求，降低了成本[5]。此外，还使用了电荷耦合器件来测量光强分布，从而获取光源直径等参数。将这些技术与前述系统结合，便形成了一个显微光热分布测试系统，该系统能够通过传统方法无法检测到的光热分布差异来定位缺陷。在精确定位缺陷之后，还会使用FIB-SEM等技术对样品进行截面切割和分析，最终确定故障机制。
章节要点
定位原理
本研究致力于LED芯片中漏电点的定位与故障分析。实验室整合了上述所有测试设备，构建了一套完整的漏电点定位与分析系统。目前已开发出一种用于漏电点定位及故障原因分析的解决方案（见下图1），旨在为半导体产业的健康发展提供支持。该方案结合了基本的电气测试、EMMI漏电点定位技术
故障确认与基本电气分析
根据客户反馈，某LED灯具在使用数小时后出现了红色光线故障。该灯具的供电电压为交流220伏/50赫兹，经检测发现是红色灯珠出现故障（见图3a）。该灯具由外壳、电源、LED电路板、透镜以及其他组件构成。将灯珠从LED电路板上取下后，在-5伏、1毫安的条件下检测反向漏电流，测试结果显示存在异常漏电/短路现象
故障原因分析
综上所述，红色LED灯珠故障的直接原因是芯片外延层出现断裂，从而导致p-n结错位，进而使得芯片在运行时出现漏电或短路故障。根据芯片漏电点定位结果以及FIB-SEM截面分析结果，不合格样品中的外延层断裂位置均位于金属引线与芯片电极的连接界面附近。为进一步探究外延层断裂的根本原因，对样品NG3进行了
结论
为解决LED芯片漏电故障分析中存在的诸多问题——尤其是传统定位方法无法发现缺陷、分辨率不足，以及难以将分析结果与故障机制直接关联等问题，本文提出并验证了一种将显微光热分布测试系统与FIB-SEM相结合的协同分析工作流程。主要结论如下：
- 1)
在EMMI、OBIRCH这三种主流技术的基础上
CRediT作者贡献说明
梁胜华：概念构思、方法设计、软件开发、验证工作、正式分析、问题研究、数据整理、初稿撰写、结果可视化。梁伟清：概念构思、方法设计、软件开发、验证工作、正式分析、问题研究、数据整理、文章审阅与编辑、项目管理。黄春月：概念构思、方法设计、资源协调、文章审阅与编辑、项目监督、项目管理、资金筹措。方芳：概念构思，
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究工作的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金的支持（项目编号：62164002）。作者们还要感谢李女士在图像优化、语言润色以及提供诸多帮助方面的贡献。
梁胜华|梁伟清|黄春月|方芳
