優(yōu)化HB LED使用壽命　ESD保護元件扛重任

隨著亮度和能效的提升，延長使用壽命已為促進(jìn)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(dāng)，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(jìn)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(jìn)曲線外潛藏威脅訊號

綠光和藍(lán)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(dá)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(dá)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(dāng)今先進(jìn)積體電路(IC)一樣，容易因ESD而遭受嚴(yán)重?fù)p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(dǎo)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(dāng)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(lán)寶石襯底和制造綠光和藍(lán)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(lán)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。

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(yù)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(dǎo)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(dǎo)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(yuǎn)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(dāng)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。

圖1 使用側(cè)面貼裝TVS二極體應(yīng)用LED保護

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(dǎo)性也幫助LED緩解因LED與引線框熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)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。

Rdyn/Cin為避免LED受損關(guān)鍵參數(shù)

整合ESD保護二極體陣列的最關(guān)鍵參數(shù)包括低動態(tài)電阻(Rdyn)和低輸入電容(Cin)，這樣ESD保護元件就能夠快速地回應(yīng)ESD尖峰，并耗散大多數(shù)電流，從而避免LED裸片損傷。安森美半導(dǎo)體的ESD保護技術(shù)產(chǎn)品在底面貼裝保護器中提供僅在0.2～0.4歐姆(Ω)等級的極低動態(tài)阻抗，這在ESD等暫態(tài)事件期間轉(zhuǎn)化為更低及更好的鉗位元電壓，LED或LED串相應(yīng)地受到更高水準(zhǔn)的保護。此外，底面貼裝保護器也提供浪涌保護，這在LED暴露于電源浪涌或雷電尖峰的應(yīng)用中非常重要。

大多數(shù)固態(tài)燈模組都包括串聯(lián)連接的共用封裝HB LED裸片。在白光LED中，通常就采用此種方法來提供高總光輸出。用于背光應(yīng)用或營造特殊效果的燈中，LED陣列可能包含紅光、藍(lán)光和綠光裸片，支持混色、微調(diào)LED發(fā)射出的色彩。因每個LED都有約3.5伏特(V)的有限正向電壓降，包含大量LED的模組可能要求施加高直流電壓。

產(chǎn)業(yè)界的側(cè)面貼裝和底面貼裝ESD保護制造制程可以調(diào)節(jié)用于6～110伏特之間的擊穿電壓，故適用于具有任意可行長度的LED串。頂金和底金制程提供不同的組合和成分；側(cè)面貼裝和底面貼裝也具備不同的封裝選擇，從覆晶到頂部和底部(Top and Bottom)等，不一而足。

不論是哪種類型的貼裝，都適用多種選擇和配置：在LED串兩端并聯(lián)連接一個TVS二極體提供規(guī)定的ESD保護等級(見圖3a)，而在LED串兩端串聯(lián)相向連接的二極體對(圖3b)使LED燈具制造商能夠在生產(chǎn)期間施加反向偏置測試，識別出并隔離次品模組，從而防止流向客戶。更復(fù)雜的二極體陣列為包含多顆LED的LED燈串中的每個LED提供并聯(lián)連接的相向二極體對，使燈模組能夠持續(xù)工作，即使其中有個別LED發(fā)生開路故障。

圖3 (a)和(b)不同ESD保護配置

ESD延長HB LED使用壽命

HB LED除高能效和小尺寸，其預(yù)計長壽命周期被證實是固態(tài)照明巨大成功的重要誘因。多種色彩的HB LED，特別是白光以及綠、藍(lán)和紅光的HB LED，為設(shè)計人員開通康莊大道，讓高效能背光燈、街燈、內(nèi)部照明、任務(wù)燈、電子標(biāo)志和汽車車燈及頭燈等應(yīng)用獲得更好的發(fā)展。

由于不同制造商的HB LED規(guī)格大相逕庭，全面理解HB LED采用的ESD保護途徑為提供最優(yōu)的現(xiàn)場使用壽命帶來很大好處。每個原始設(shè)備制造商(OEM)在封裝、制程技術(shù)和材料成分方面都有一套特定的標(biāo)準(zhǔn)，故應(yīng)當(dāng)加以考慮。因此，為獲得所需的優(yōu)化性能參數(shù)，設(shè)計人員須要深入合作的供應(yīng)商不應(yīng)局限于提供少數(shù)不同LED保護方案，而是可提供寬廣選擇范圍、支援作出最佳匹配的供應(yīng)商。 (本文作者為安森美半導(dǎo)體保護產(chǎn)品分部高級產(chǎn)品行銷經(jīng)理)