GaN基LED等ESD敏感器件的靜電防護(hù)技術(shù)1

1、GaN基LED等ESD敏感器件的靜電防護(hù)技術(shù)隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，靜電防護(hù)技術(shù)不斷提高，無論是在LED器件設(shè)計(jì)上，還是在生產(chǎn)工藝上，抗ESD能力都有明顯的進(jìn)步，但是，GaN基LED畢竟是ESD敏感器件，靜電防護(hù)必須滲透到生產(chǎn)全過程。一、引言氮化物藍(lán)光LED的成功研發(fā)，從根本上解決了LED三基色缺色問題，實(shí)現(xiàn)了全彩色顯示，GaN基藍(lán)光、綠光LED得到廣泛應(yīng)用。但是，GaN基LED與GaAs基LED相比，其抗靜電放電(ElectroStaticDischarge桬SD)能力明顯下降，GaN基LED屬靜電敏感器件，生產(chǎn)和使用過程中，如果沒有良好的靜電防護(hù)措施或者防護(hù)措施不當(dāng)，即可能造成器件失效或者

2、光電參數(shù)劣化。GaN基LED的靜電防護(hù)技術(shù)正逐步受到產(chǎn)品設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)者和使用者的重視，本文將對(duì)GaN基LED的靜電防護(hù)作一簡(jiǎn)要的綜述。二、靜電的產(chǎn)生靜電是由于物體接觸分離后出現(xiàn)電荷不平衡而產(chǎn)生的，它存在于物體表面，是正負(fù)電荷在局部失衡時(shí)產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，只要有接觸分離就有可能產(chǎn)生靜電，靜電可以說無所不在。產(chǎn)生靜電的途徑如下：1摩擦:在日常生活中，任何兩個(gè)不同材質(zhì)的物體接觸后再分離，即可產(chǎn)生靜電，摩擦生電是產(chǎn)生靜電的最普通方法。材料的絕緣性能越好，越容易通過摩擦產(chǎn)生靜電。2感應(yīng):針對(duì)導(dǎo)電材料而言，因電子能在它的表面自由流動(dòng)，如將其置于一電場(chǎng)中，由于同性相斥，異性相吸，正負(fù)離子就會(huì)轉(zhuǎn)移因而產(chǎn)生靜電。

3、電場(chǎng)的存在和導(dǎo)電材料是通過產(chǎn)生靜電的必要條件。3傳導(dǎo):針對(duì)導(dǎo)電材料而言，因電子能在它的表面自由流動(dòng)，如與帶電物體接觸，將發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生靜電。人體帶靜電的過程較為復(fù)雜。人體行走、活動(dòng)時(shí)，衣服的摩擦、人體與其他物品接觸分離等，均可能產(chǎn)生靜電。靜電電位U是由帶電體所帶電荷量Q與其對(duì)地電容C而確定的，根據(jù)Q=CU，U=QC，一般電荷量Q較小，但對(duì)地電容C也很小，所以靜電電位U可以很高。靜電電荷量Q產(chǎn)生的大小，與其所處環(huán)境關(guān)系密切，表一為人體幾種狀態(tài)的帶靜電情況?？刂艵SD的主要困難是，它是看不見的，有時(shí)還感覺不到，但又能達(dá)到損壞電子元器件的地步。人體對(duì)靜電的感度參見表二。要做好靜電防護(hù)措施，必須了

4、解靜電的產(chǎn)生途徑，以便有的放矢，靜電防護(hù)從源頭做起。三、LED靜電放電損傷靜電放電(ESD)引起發(fā)光二極管PN結(jié)的擊穿，是LED器件封裝和應(yīng)用組裝工業(yè)中靜電危害的主要方式。靜電損傷具有如下特點(diǎn)：1.隱蔽性:人體不能直接感知靜電，即使發(fā)生靜電放電，人體也不一定能有電擊的感覺，這是因?yàn)槿梭w感知的靜電放電電壓為2-3KV。大多數(shù)情況都是通過測(cè)試或者實(shí)際應(yīng)用，才能發(fā)現(xiàn)LED器件已受靜電損傷。2.潛伏性:靜電放電可能造成LED突發(fā)性失效或潛在性失效。突發(fā)性失效造成LED的永久性失效：短路。潛在性失效則可使LED的性能參數(shù)劣化，例如漏電流加大，一般GaN基LED受到靜電損傷后所形成的隱患并無任何方法可治愈

5、。3.隨機(jī)性:LED什么情況下會(huì)遭受到靜電破壞呢？可以這么說，從LED芯片生產(chǎn)后一直到它損壞以前所有的過程都受到靜電的威脅，而這些靜電的產(chǎn)生也具有隨機(jī)性。但是由于芯片的尺寸極小，約0.2mm0.2mm，電極之間的距離就更小，如果處在靜電場(chǎng)中，兩極之間的電勢(shì)差別接近于零；電極的微小面積，局限了接觸靜電放電的狀態(tài)。因此，芯片受到靜電損傷的幾率比器件要小得多。4.復(fù)雜性:在靜電放電的情況下，起放電電源是空間電荷，因而它所儲(chǔ)存的能量是有限的，不像外加電源那樣具有持續(xù)放電的能力，故它僅能提供短暫發(fā)生的局部擊穿能量。雖然靜電放電的能量較小,但其放電波形很復(fù)雜，控制起來也比較麻煩。另外，LED極為精細(xì)，失效

6、分析難度大，使人容易誤把靜電損傷失效當(dāng)作其它失效，在對(duì)靜電放電損害未充分認(rèn)識(shí)之前，常常歸咎于早期失效或情況不明的失效，從而不自覺的掩蓋了失效的真正原因。5.嚴(yán)重性:ESD潛在性失效只引起部分參數(shù)劣變，如果不超過合格范圍，就意味著被損傷的LED可能毫無察覺地通過最后測(cè)試，導(dǎo)致出現(xiàn)過早期失效，這對(duì)各層次的制造商來說，其結(jié)果是最損聲譽(yù)的。ESD以極高的強(qiáng)度很迅速地發(fā)生，放電電流流經(jīng)LED的PN結(jié)時(shí)，產(chǎn)生的焦耳熱使芯片PN兩極之間局部介質(zhì)熔融，造成PN結(jié)短路或漏電，對(duì)失效器件解剖分析，一般在高倍金相顯微鏡下，可以觀察到引起即時(shí)的和不可逆轉(zhuǎn)的損壞擊穿點(diǎn)，但是受到解剖手段和器件封裝材料的限制，經(jīng)常因?yàn)樾酒?/p>

7、污染或機(jī)械損傷等原因，而不能確定擊穿點(diǎn)，圖一為被ESD擊穿的LED芯片。反向放電時(shí)，電流較正向放電集中，功率密度大，因此LED反向放電ESD失效閾值較正向低得多。四、LED靜電放電敏感度檢測(cè)靜電放電敏感度ESDS，是電子元器件的重要可靠性指標(biāo)之一，它反映了電子元器件抵抗靜電放電損失的能力。進(jìn)行靜電放電敏感度檢測(cè)的目的：了解和分析元器件抗ESDS檢測(cè)結(jié)果，有助于元器件的設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)者，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高元器件抗ESDS水平；了解和掌握元器件抗ESDS檢測(cè)結(jié)果，以便元器件的使用者，在生產(chǎn)組裝過程中，采取必要的靜電防護(hù)措施。ESDS檢測(cè)試驗(yàn)系破壞性試驗(yàn)，所有經(jīng)過試驗(yàn)的樣品應(yīng)報(bào)廢，不

8、得進(jìn)入生產(chǎn)流通出廠。LED的ESDS檢測(cè)目前沒有國家標(biāo)準(zhǔn)，一般參照我國軍標(biāo)GJB548A96和Bellcore的TRNWT00870標(biāo)準(zhǔn)。最常用的ESDS檢測(cè)，有三種標(biāo)準(zhǔn)波形：標(biāo)準(zhǔn)人體模型（HumanBodyModel-HBM）、機(jī)器模型(MM)和帶電器件模型(CDM)。發(fā)光二極管LED屬光電器件，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)人體模型(HBM)，圖二為標(biāo)準(zhǔn)人體模型(HBM)檢測(cè)原理圖，圖三為放電波形。LED的ESDS檢測(cè)方法如下：1）ESDS檢測(cè)前，先采用LED光電參數(shù)測(cè)試儀或晶體管圖示儀測(cè)試待檢LED樣品的光電參數(shù)和性能，并紀(jì)錄；2）將ESDS專用測(cè)試儀設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)人體模型(HBM)及放電電壓設(shè)定在閾值；3）采

9、用三個(gè)正的、三個(gè)負(fù)的脈沖進(jìn)行放電試驗(yàn)，脈沖之間至少有1秒的延遲；4）ESDS放電沖擊后，再測(cè)試樣品的光電參數(shù)和性能，以判定樣品是否失效或參數(shù)劣化。標(biāo)準(zhǔn)人體模型(HBM)是ESD模型中建立最早和最主要的模型之一。不同標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的ESDS檢測(cè)方法基本相同，只有在細(xì)節(jié)上有點(diǎn)差異，但是在抗ESD等級(jí)分類上差別較大。我國軍標(biāo)GJB548A96對(duì)器件抗ESD分為三個(gè)等級(jí)：1級(jí)抗靜電電壓為01999V；2級(jí)抗靜電電壓為20003999V；3級(jí)抗靜電電壓為4000V以上。五、LED靜電防護(hù)技術(shù)1、一般靜電防護(hù)的基本思路：1）從元器件設(shè)計(jì)方面，把靜電保護(hù)設(shè)計(jì)到LED器件內(nèi)，例如大功率LED，設(shè)計(jì)者在承載GaN基

10、LED芯片倒裝的硅片上，設(shè)計(jì)靜電保護(hù)二極管，這時(shí)硅片不但作為GaN的承載基體，還起到ESD保護(hù)作用，使采用這種芯片封裝的器件ESDS達(dá)到幾千伏。它的優(yōu)點(diǎn)是直接提高器件抗ESD能力，簡(jiǎn)化封裝生產(chǎn)和器件安裝等過程的靜電防護(hù)措施，缺點(diǎn)是增加成本、增大體積、芯片生產(chǎn)工藝復(fù)雜并且需要專業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，它適用于高價(jià)值的LED器件。2）從生產(chǎn)工藝方面，有兩種靜電防護(hù)途徑，首先是消除產(chǎn)生靜電的材料與過程，通過材料的選用，使靜電產(chǎn)生的途徑不存在了或者減少了，從源頭消除了靜電放電的產(chǎn)生與積累，是靜電防護(hù)的有效的基本方法之一；其次是通過泄放或中和防止靜電放電，因?yàn)楫a(chǎn)生靜電的所有途徑是不可能完全消除的，所以我們需要安全地

11、泄放或中和那些要發(fā)生的靜電，防止靜電放電的發(fā)生。2、人體防靜電系統(tǒng)人體防靜電系統(tǒng)主要由防靜電手腕帶、防靜電工作服、鞋襪等組成，必要時(shí)還需要輔以防靜電工作帽、手套、腳套等物品。這種整體的防靜電系統(tǒng)兼?zhèn)潇o電泄放、中和和屏蔽的作用，防靜電手腕帶由靜電導(dǎo)電材料制成，通過與皮膚直接接觸，把人體靜電直接導(dǎo)走，所以手腕帶使用時(shí)必須與皮膚接觸良好，使皮膚上的瞬時(shí)靜電電壓小于100V。防靜電工作椅、桌墊、地墊、防靜電工作椅的材料使用靜電導(dǎo)電織物為面料,它們?cè)谂c人的接觸中不產(chǎn)生靜電，并能將人體本身所帶靜電很快泄放，導(dǎo)入大地，起到靜電防護(hù)作用。3、防靜電操作系統(tǒng)防靜電臺(tái)墊，在進(jìn)行靜電敏感器件的操作時(shí)，工作臺(tái)上應(yīng)鋪設(shè)

12、具有靜電導(dǎo)電和靜電耗散功能的材料制成的防靜電臺(tái)墊。使所有與器件接觸的端子、工具、儀器儀表、人體達(dá)到一致的電位，并通過接地使靜電能迅速泄放。4、靜電接地技術(shù)接地就是直接將靜電通過一條導(dǎo)線的連接泄放到大地，這是防靜電措施中最直接最有效的，多數(shù)靜電防護(hù)系統(tǒng)的效果，都依賴于接地地線的質(zhì)量，靜電接地技術(shù)是靜電泄放工藝中的主要環(huán)節(jié)，系統(tǒng)接地的質(zhì)量將直接影響電荷的釋放能力。地線必須是能夠接受或提供大量電荷的，理想的地線應(yīng)該是一個(gè)優(yōu)良的導(dǎo)體，即電流流過地線時(shí)不產(chǎn)生電位降，地線上各點(diǎn)電位相同。在工作區(qū)的靜電地線應(yīng)為靜電專用地線，不得與其它地線共用。防靜電接地是廠房基建工程中重要的指標(biāo)之一。5、生產(chǎn)過程的靜電防護(hù)

13、LED從芯片到封裝應(yīng)用的生產(chǎn)過程較復(fù)雜，就防靜電而言，是一個(gè)綜合治理的過程，應(yīng)滲透到生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，并根據(jù)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工藝要求，提出不同的對(duì)策，以達(dá)到對(duì)器件的有效靜電防護(hù)。對(duì)固定單個(gè)設(shè)備(如固晶機(jī)、鍵合臺(tái)、測(cè)試設(shè)備、波峰焊設(shè)備等)的工藝要求：1）設(shè)備應(yīng)良好接地；2）有必要的設(shè)備周圍要鋪設(shè)防靜電地墊；3）操作者穿戴防靜電衣、帽、腕帶等；4）必要時(shí)，在靜電防護(hù)關(guān)鍵部位設(shè)置離子風(fēng)機(jī)。6、離子風(fēng)機(jī)絕緣體往往容易產(chǎn)生靜電，用接地的方法是不能消除絕緣體上的靜電，通常利用離子作用來中和這些絕緣材料上的靜電。離子風(fēng)機(jī)是一種吹出離子化氣流的設(shè)備，它用來中和累積在絕緣材料上的任何電荷，提供一個(gè)等電位的工作區(qū)域。7、其他注意事項(xiàng)1）進(jìn)行GaN基LED測(cè)試時(shí)，除了測(cè)試儀接地外，還要了解測(cè)試儀的測(cè)試線路，特別是恒流測(cè)試的電源開路電壓不能過高，以免LED受到負(fù)反饋脈沖電壓的沖擊而失效；2）表一為人體幾種狀態(tài)的帶靜電情況，從中不難看出，相同條件下，濕度(空氣中潮氣)的上升，靜電電位U降低了，即ESD的危險(xiǎn)性降低了,但仍然存在，因此不可放松靜電防護(hù)措施，應(yīng)保持良好的工作習(xí)慣。3）包裝是產(chǎn)品出廠前的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，包裝工藝的好壞直接影響產(chǎn)品到達(dá)用戶手中是否為合格品。包裝應(yīng)采用防靜電屏蔽袋，它用于器件的