安森美半導(dǎo)體的中心議題：
- 優(yōu)化高亮度LED的使用壽命
- 外延層易受ESD損傷
- 集成保護
- 側(cè)面貼裝TVS二極管應(yīng)用LED保護
- 采用硅次級貼裝提供的ESD保護
優(yōu)化高亮度LED的使用壽命 – ESD保護考慮事項
作者：安森美半導(dǎo)體保護產(chǎn)品分部高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理Vidya Premkumar
隨著亮度和能效的提升，延長使用壽命已經(jīng)為促進基于高亮度發(fā)光二極管(HB-LED)的固態(tài)照明設(shè)計快速發(fā)展的主要因素之一。然而，并非所有HB-LED在這些方面都旗鼓相當(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)場使用壽命的一個至關(guān)重要的因素。安森美半導(dǎo)體的Vidya Premkumar將在本文中探討ESD保護的重要性，闡釋HB-LED模塊制造商正在使用、旨在確保設(shè)計將使用壽命和質(zhì)量潛能提升至最優(yōu)的最新先進保護技術(shù)。
簡介：演進曲線之外的威脅
綠光和藍光LED的商業(yè)化，再結(jié)合近年來實現(xiàn)的每個器件平均光輸出穩(wěn)步快速的提升，固態(tài)照明開啟了大量新的應(yīng)用市場。HB-LED的價格和性能已經(jīng)超越類似于針對晶體管密度的摩爾定律的海茲定律(Haitz’s Law)；根據(jù)這個定律，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10倍。
事實上，LED的光輸出如今每18個月甚至更短時間就翻倍，如今市場上已有光效達到120 lm/W的器件，而領(lǐng)先的實驗室甚至都演示了光效達200 lm/W的LED。HB-LED的光輸出能力和成本大幅改善的同時，也面臨著與當(dāng)今先進集成電路(IC)一樣的問題——易因ESD遭受嚴重損傷。
IC制造商已經(jīng)將ESD損傷確定為CMOS器件現(xiàn)場可靠性的一項主要威脅，因為它可能損害品牌形象并妨礙市場接受新技術(shù)。為了應(yīng)對這個問題，業(yè)界積極努力用后續(xù)新工藝節(jié)點來優(yōu)化集成ESD保護架構(gòu)，雖然這項工作很少(如果有的話)受到媒體的關(guān)注。與之類似，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專業(yè)人士協(xié)作制定適合的保護措施。雖然總光輸出增加提供了最激動人心的故事情節(jié)，但眾多有效的ESD保護措施已經(jīng)應(yīng)運而生，并正被集成到知名制造商推廣的HB-LED之中。
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易受 ESD損傷
將藍寶石襯底和制造綠光和藍光發(fā)射器時使用的外延集成在一起，結(jié)果使得器件與紅光LED等相比更易受到ESD損傷。由于藍寶石襯底是純絕緣體，生產(chǎn)期間加工器件時會累積大量的靜電電荷。此外，外延層比紅光LED制造過程中使用的外延層相比，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。
在CMOS器件中，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)料到且成本高昂的故障。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模塊中不含適合的保護，客戶工程師可能需要在電路板級應(yīng)用分立保護，這在物料單(BOM)成本和損及印制電路板(PCB)空間等方面可能代價高昂，而且板級ESD保護遠不足以為LED裸片提供保護。在封裝中集成有效的ESD保護是一種更合意的途徑，受到了當(dāng)今眾多HB-LED制造大廠的青睞。ESD保護可以應(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粘接LED發(fā)射器裸片的次級貼裝(submount)或側(cè)面貼裝(sidemount)。
集成保護
業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了下面兩種集成ESD配置。如圖1所示的側(cè)面貼裝配置將瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管應(yīng)用在與LED發(fā)射器裸片相同的封裝內(nèi)，二極管可以使用線邦定或倒裝芯片技術(shù)來連接，取決于具體應(yīng)用要求。額定ESD等級因裸片尺寸不同而不同，通常介于8 kV至15 kV人體模型(HBM)之間。
圖1. 使用側(cè)面貼裝TVS二極管應(yīng)用LED保護
圖2顯示了可以怎樣藉在LED和引線框之間應(yīng)用硅次級貼裝來更緊密地集成ESD保護。這種構(gòu)造使LED外形尺寸更緊湊；次級貼裝替代側(cè)面貼裝LED模塊中使用的傳統(tǒng)襯底，提供的ESD保護等級超過15 kV HBM。硅次級貼裝的良好熱傳導(dǎo)性也幫助LED緩解由于LED與引線框熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的應(yīng)力。
圖 2. 采用硅次級貼裝提供的ESD保護。
這兩種途徑都符合多種頂部及背部鍍金工藝以適應(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工藝，以及金或金錫(AuSn)背金工藝選擇。
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保護性能
集成ESD保護二極管陣列的最關(guān)鍵參數(shù)包括低動態(tài)電阻(Rdyn)和低輸入電容(Cin)，這樣ESD保護器件就能夠快速地響應(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)品在次級貼裝保護器中提供僅在0.2至0.4 Ω等級的極低動態(tài)阻抗。安森美半導(dǎo)體的次級貼裝保護器件本質(zhì)上比競爭產(chǎn)品提供更佳的動態(tài)電阻，這在ESD等瞬態(tài)事件期間轉(zhuǎn)化為更低及更好的鉗位電壓，反過來表示LED或LED串受到更高水平的保護。此外，次級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)燈模塊都包括串聯(lián)連接的共用封裝HB-LED裸片。在白光LED(WLED)光源中，通常就采用這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、藍光和綠光裸片，支持混色，微調(diào)LED發(fā)射出的色彩 。由于每個LED都有3.5 V左右的有限正向壓降，包含大量LED的模塊可能要求施加高直流電壓。安森美半導(dǎo)體的側(cè)面貼裝和次級貼裝ESD保護制造工藝可以調(diào)節(jié)用于6 V至110 V之間的擊穿電壓，故適用于具有任意可行長度的LED串。頂金和底金工藝提供不同的組合和成分；側(cè)面貼裝和次級貼裝也具備不同的封裝選擇，從倒裝芯片到頂部和底部(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二極管提供規(guī)定的ESD保護等級(見圖3a)，而在LED串兩端串聯(lián)相向連接的二極管對(圖3b)使燈制造商能夠在生產(chǎn)期間施加反向偏置測試，識別出并隔離次品模塊，從而防止流向客戶。更復(fù)雜的二極管陣列為包含多顆LED的LED串中的每個LED提供并聯(lián)連接的相向二極管對，使燈模塊能夠持續(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。
結(jié)論
HB-LED除了具備高能效和小尺寸，預(yù)計通常提供的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、藍和紅光的HB-LED，為瞄準高能效背光燈、街燈、內(nèi)部照明、任務(wù)燈、電子標(biāo)志和汽車剎車燈及頭燈等應(yīng)用的設(shè)計人員開啟了激動人心的新通道。由于不同制造商的HB-LED規(guī)格可能有很大不同，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。每個原設(shè)備制造商(OEM)在封裝、工藝技術(shù)和材料成分方面都有一套非常具體的標(biāo)準，需要加以考慮。因此，為了獲得所需的優(yōu)化性能參數(shù)，他們需要深入合作的供應(yīng)商不是局限于提供少數(shù)不同LED保護方案的供應(yīng)商，而是提供寬廣選擇范圍、支持作出最佳匹配的供應(yīng)商。
