優化HB LED使用壽命 ESD保護元件扛重任

作者: Vidya Premkumar
2011 年 11 月 21 日

優化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基於高亮度發光二極體(HB LED)的固態照明設計快速發展的關鍵之一。然而,並非所有HB LED在這些方面皆旗鼓相當,製造商應用靜電放電(ESD)保護的方式可能是影響HB LED現場使用壽命的關鍵因素。本文中將探討ESD保護的重要性,闡釋HB LED模組製造商藉著最先進保護技術來確保其設計將使用壽命和品質潛能提升至最優。


演進曲線外潛藏威脅訊號 



綠光和藍光LED的商業化,再結合近年來實現的每個元件平均光輸出穩步快速的提升,為固態照明開啟大量新的應用市場。HB LED的價格和性能已超越海茲定律(Haitz’s Law)(類似於針對電晶體密度的摩爾定律(Moore’s Law),根據此定律,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的光輸出現在每18個月(甚至更短時間)就翻倍,如今市場上已有發光效率達到每瓦120流明的元件,而領先的實驗室甚至都演示發光效率達每瓦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製造商已經將ESD損傷確定為互補式金屬氧化物半導體(CMOS)元件現場可靠性的一項主要威脅,它可能損害品牌形象並妨礙市場接受新技術。為避免此情況,業界積極努力用後續新製程世代來最佳化整合ESD保護架構。同樣地,領先的HB LED製造商也將ESD確定為固態照明機遇的一項顯著威脅,並與ESD專家協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保護措施也應運而生,並被知名製造商併入到已在市場銷售的HB LED之中。
 



HN LED易受ESD損傷 



將藍寶石襯底和製造綠光和藍光發射器時使用的磊晶晶圓(Epitaxial Wafer)整合在一起,結果使得元件與紅光LED相比更易受到ESD損傷。由於藍寶石基板是純絕緣體,生產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製造過程中使用的磊晶層相比,往往更易遭受ESD損傷,很可能就是因為製造過程帶入瑕疵等效應引起的。
 


ESD將有助於延長HB LED使用壽命,加速普及。 圖片來源:安森美




在CMOS元件中,製造期間發生的ESD操作可能在投入現場應用之前仍然還未被發現,使得應用現場可能會發生未預料且成本高昂的故障。LED遭受ESD損傷的常見後果有如裸片表面出現暗點,這會導致LED光輸出下降,並可能使LED燈泡沒用多久就出現故障。LED製造期間的高ESD損傷率會損及量產良率,並實際導致良品的價格升高。由於HB LED的長工作壽命是固態照明相對於傳統照明的一項重要優勢,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製造大廠的青睞。ESD保護可應用為LED發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發射器裸片的底面貼裝(Submount)或者側面貼裝(Sidemount)。
 



藉整合ESD配置保護HB LED 



業內出現下面兩種整合ESD配置。圖1所示的側面貼裝配置將暫態電壓抑制器(TVS)二極體應用在與LED發射器裸片相同的封裝內,二極體可使用打線或覆晶技術來連接,因應具體應用要求而定。額定ESD等級因裸片尺寸不同而不同,通常介於8k~15kV人體模型(HBM)之間。
 


圖1 使用側面貼裝TVS二極體應用LED保護




圖2顯示如何在LED和引線框間應用矽底面貼裝更緊密整合ESD保護。此構造使LED尺寸更緊湊;底面貼裝替代側面貼裝LED模組中使用的傳統基板,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與引線框熱膨脹係數不同導致的應力。
 


圖2 採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製程以適應大多數製造要求,如帶頂層鋁塗層(AuAl, CuAl)選擇、提供更高反射率的金或銅製程,以及金或金錫(AuSn)背金製程選擇。
 


Rdyn/Cin為避免LED受損關鍵參數

Rdyn/Cin為避免LED受損關鍵參數 



整合ESD保護二極體陣列的最關鍵參數包括低動態電阻(Rdyn)和低輸入電容(Cin),這樣ESD保護元件就能夠快速地回應ESD尖峰,並耗散大多數電流,從而避免LED裸片損傷。安森美半導體的ESD保護技術產品在底面貼裝保護器中提供僅在0.2~0.4歐姆(Ω)等級的極低動態阻抗,這在ESD等暫態事件期間轉化為更低及更好的鉗位元電壓,LED或LED串相應地受到更高水準的保護。此外,底面貼裝保護器也提供浪湧保護,這在LED暴露於電源浪湧或雷電尖峰的應用中非常重要。
 



大多數固態燈模組都包括串聯連接的共用封裝HB LED裸片。在白光LED中,通常就採用此種方法來提供高總光輸出。用於背光應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LED發射出的色彩。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。
 



產業界的側面貼裝和底面貼裝ESD保護製造製程可以調節用於6~110伏特之間的擊穿電壓,故適用於具有任意可行長度的LED串。頂金和底金製程提供不同的組合和成分;側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串兩端並聯連接一個TVS二極體提供規定的ESD保護等級(見圖3a),而在LED串兩端串聯相向連接的二極體對(圖3b)使LED燈具製造商能夠在生產期間施加反向偏置測試,識別出並隔離次品模組,從而防止流向客戶。更複雜的二極體陣列為包含多顆LED的LED燈串中的每個LED提供並聯連接的相向二極體對,使燈模組能夠持續工作,即使其中有個別LED發生開路故障。
 


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,其預計長壽命週期被證實是固態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,為設計人員開通康莊大道,讓高效能背光燈、街燈、內部照明、任務燈、電子標誌和汽車?車燈及頭燈等應用獲得更好的發展。
 



由於不同製造商的HB LED規格大相逕庭,全面理解HB LED採用的ESD保護途徑為提供最優的現場使用壽命帶來很大好處。每個原始設備製造商(OEM)在封裝、製程技術和材料成分方面都有一套特定的標準,故應當加以考慮。因此,為獲得所需的優化性能參數,設計人員須要深入合作的供應商不應局限於提供少數不同LED保護方案,而是可提供寬廣選擇範圍、支援作出最佳匹配的供應商。

(本文作者為安森美半導體保護產品分部高級產品行銷經理)

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