????隨著亮度和能效的提升，延長使用壽命已為促進基于高亮度發(fā)光二極體(HB LED)的固態(tài)照明設(shè)計快速發(fā)展的關(guān)鍵之一。然而，并非所有HB LED在這些方面皆旗鼓相當，制造商應(yīng)用靜電放電(ESD)保護的方式可能是影響HB LED現(xiàn)場使用壽命的關(guān)鍵因素。本文中將探討ESD保護的重要性，闡釋HB LED模組制造商藉著最先進保護技術(shù)來確保其設(shè)計將使用壽命和品質(zhì)潛能提升至最優(yōu)。
演進曲線外潛藏威脅訊號
綠光和藍光LED的商業(yè)化，再結(jié)合近年來實現(xiàn)的每個元件平均光輸出穩(wěn)步快速的提升，為固態(tài)照明開啟大量新的應(yīng)用市場。HB LED的價格和性能已超越海茲定律(Haitz's Law)(類似于針對電晶體密度的摩爾定律(Moore's Law)，根據(jù)此定律，LED的光輸出等級每2年會翻倍，平均每流明光輸出的成本每10年會降低十倍。
事實上，LED的光輸出現(xiàn)在每18個月(甚至更短時間)就翻倍，如今市場上已有發(fā)光效率達到每瓦120流明的元件，而領(lǐng)先的實驗室甚至都演示發(fā)光效率達每瓦200流明的LED。HB LED的光輸出能力和成本大幅改善的同時，也跟當今先進積體電路(IC)一樣，容易因ESD而遭受嚴重損傷。
IC制造商已經(jīng)將ESD損傷確定為互補式金屬氧化物半導體(CMOS)元件現(xiàn)場可靠性的一項主要威脅，它可能損害品牌形象并妨礙市場接受新技術(shù)。為避免此情況，業(yè)界積極努力用后續(xù)新制程世代來最佳化整合ESD保護架構(gòu)。同樣地，領(lǐng)先的HB LED制造商也將ESD確定為固態(tài)照明機遇的一項顯著威脅，并與ESD專家協(xié)作制定適合的保護措施。當總光輸出增加提供令人興奮的題材，眾多有效的ESD保護措施也應(yīng)運而生，并被知名制造商并入到已在市場銷售的HB LED之中。
HN LED易受ESD損傷
將藍寶石襯底和制造綠光和藍光發(fā)射器時使用的磊晶晶圓(Epitaxial Wafer)整合在一起，結(jié)果使得元件與紅光LED相比更易受到ESD損傷。由于藍寶石基板是純絕緣體，生產(chǎn)期間加工元件時會累積大量的靜電電荷。此外，磊晶層跟紅光LED制造過程中使用的磊晶層相比，往往更易遭受ESD損傷，很可能就是因為制造過程帶入瑕疵等效應(yīng)引起的。
ESD將有助于延長HB LED使用壽命，加速普及。 圖片來源：安森美
在CMOS元件中，制造期間發(fā)生的ESD操作可能在投入現(xiàn)場應(yīng)用之前仍然還未被發(fā)現(xiàn)，使得應(yīng)用現(xiàn)場可能會發(fā)生未預料且成本高昂的故障。LED遭受ESD損傷的常見后果有如裸片表面出現(xiàn)暗點，這會導致LED光輸出下降，并可能使LED燈泡沒用多久就出現(xiàn)故障。LED制造期間的高ESD損傷率會損及量產(chǎn)良率，并實際導致良品的價格升高。由于HB LED的長工作壽命是固態(tài)照明相對于傳統(tǒng)照明的一項重要優(yōu)勢，HB LED有效的ESD保護顯然必不可少。
如果LED模組中不含適合的保護，客戶工程師可能須要在電路板和應(yīng)用分立保護，這在整體物料清單(BOM)成本和印刷電路板(PCB)空間等方面可能造成不小損失，且ESD保護遠不足以為LED裸片提供保護。
在封裝中整合有效的ESD保護是一種更合意的途徑，受到當今眾多HB LED制造大廠的青睞。ESD保護可應(yīng)用為LED發(fā)射器裸片旁邊的額外裸片，或在更緊湊的布局中用作上面黏接LED發(fā)射器裸片的底面貼裝(Submount)或者側(cè)面貼裝(Sidemount)。
藉整合ESD配置保護HB LED
業(yè)內(nèi)出現(xiàn)下面兩種整合ESD配置。圖1所示的側(cè)面貼裝配置將暫態(tài)電壓抑制器(TVS)二極體應(yīng)用在與LED發(fā)射器裸片相同的封裝內(nèi)，二極體可使用打線或覆晶技術(shù)來連接，因應(yīng)具體應(yīng)用要求而定。額定ESD等級因裸片尺寸不同而不同，通常介于8k～15kV人體模型(HBM)之間。
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圖1 使用側(cè)面貼裝TVS二極體應(yīng)用LED保護
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圖2顯示如何在LED和引線框間應(yīng)用矽底面貼裝更緊密整合ESD保護。此構(gòu)造使LED尺寸更緊湊;底面貼裝替代側(cè)面貼裝LED模組中使用的傳統(tǒng)基板，提供的ESD保護等級超過15kV HBM。矽底面貼裝的良好熱傳導性也幫助LED緩解因LED與引線框熱膨脹系數(shù)不同導致的應(yīng)力。
圖2 采用矽底面貼裝提供的ESD保護
這兩種途徑都符合多種頂部及背部鍍金制程以適應(yīng)大多數(shù)制造要求，如帶頂層鋁涂層(AuAl, CuAl)選擇、提供更高反射率的金或銅制程，以及金或金錫(AuSn)背金制程選擇。