優(yōu)化高亮度LED的使用壽命：ESD保護(hù)考慮事項(xiàng)

　　隨著亮度和能效的提升，延長使用壽命已經(jīng)為促進(jìn)基于高亮度發(fā)光二極管（HB-LED）的固態(tài)照明設(shè)計(jì)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(hù)的方式可能是影響HB-LED現(xiàn)場使用壽命的一個(gè)至關(guān)重要的因素。安森美半導(dǎo)體的VidyaPremkumar將在本文中探討ESD保護(hù)的重要性，闡釋HB-LED模塊制造商正在使用、旨在確保設(shè)計(jì)將使用壽命和質(zhì)量潛能提升至最優(yōu)的最新先進(jìn)保護(hù)技術(shù)。

　　簡介：演進(jìn)曲線之外的威脅

　　綠光和藍(lán)光LED的商業(yè)化，再結(jié)合近年來實(shí)現(xiàn)的每個(gè)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(jià)格和性能已經(jīng)超越類似于針對(duì)晶體管密度的摩爾定律的海茲定律（Haitz'sLaw）；根據(jù)這個(gè)定律，LED的光輸出等級(jí)每2年會(huì)翻倍，平均每流明光輸出的成本每10年會(huì)降低10倍。

　　事實(shí)上，LED的光輸出如今每18個(gè)月甚至更短時(shí)間就翻倍，如今市場上已有光效達(dá)到120lm/W的器件，而領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)室甚至都演示了光效達(dá)200lm/W的LED.HB-LED的光輸出能力和成本大幅改善的同時(shí)，也面臨著與當(dāng)今先進(jìn)集成電路（IC）一樣的問題--易因ESD遭受嚴(yán)重?fù)p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(xiàng)主要威脅，因?yàn)樗赡軗p害品牌形象并妨礙市場接受新技術(shù)。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)問題，業(yè)界積極努力用后續(xù)新工藝節(jié)點(diǎn)來優(yōu)化集成ESD保護(hù)架構(gòu)，雖然這項(xiàng)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(jī)遇的一項(xiàng)顯著威脅，并與ESD專業(yè)人士協(xié)作制定適合的保護(hù)措施。雖然總光輸出增加提供了最激動(dòng)人心的故事情節(jié)，但眾多有效的ESD保護(hù)措施已經(jīng)應(yīng)運(yùn)而生，并正被集成到知名制造商推廣的HB-LED之中。

　　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(shí)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(lán)寶石襯底是純絕緣體，生產(chǎn)期間加工器件時(shí)會(huì)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?yàn)橹圃爝^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(huì)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(diǎn)，這會(huì)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(huì)損及量產(chǎn)良率，并實(shí)際導(dǎo)致良品的價(jià)格升高。由于HB-LED的長工作壽命是固態(tài)照明相對(duì)于傳統(tǒng)照明的一項(xiàng)重要優(yōu)勢，HB-LED有效的ESD保護(hù)顯然必不可少。

　　如果LED模塊中不含適合的保護(hù)，客戶工程師可能需要在電路板級(jí)應(yīng)用分立保護(hù)，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(jià)高昂，而且板級(jí)ESD保護(hù)遠(yuǎn)不足以為LED裸片提供保護(hù)。在封裝中集成有效的ESD保護(hù)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(hù)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(jí)貼裝（submount）或側(cè)面貼裝（sidemount）。

　　集成保護(hù)

　　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(jí)因裸片尺寸不同而不同，通常介于8kV至15kV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(hù)

　　圖2顯示了可以怎樣藉在LED和引線框之間應(yīng)用硅次級(jí)貼裝來更緊密地集成ESD保護(hù)。這種構(gòu)造使LED外形尺寸更緊湊；次級(jí)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(hù)等級(jí)超過15kVHBM.硅次級(jí)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(jí)貼裝提供的ESD保護(hù)。

　　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。

　　保護(hù)性能

　　集成ESD保護(hù)二極管陣列的最關(guān)鍵參數(shù)包括低動(dòng)態(tài)電阻（Rdyn）和低輸入電容（Cin），這樣ESD保護(hù)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(hù)技術(shù)產(chǎn)品在次級(jí)貼裝保護(hù)器中提供僅在0.2至0.4Ω等級(jí)的極低動(dòng)態(tài)阻抗。安森美半導(dǎo)體的次級(jí)貼裝保護(hù)器件本質(zhì)上比競爭產(chǎn)品提供更佳的動(dòng)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(hù)。此外，次級(jí)貼裝保護(hù)器也提供浪涌保護(hù)，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(lán)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(gè)LED都有3.5V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(jí)貼裝ESD保護(hù)制造工藝可以調(diào)節(jié)用于6V至110V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(jí)貼裝也具備不同的封裝選擇，從倒裝芯片到頂部和底部（topandbottom）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(gè)TVS二極管提供規(guī)定的ESD保護(hù)等級(jí)（見圖3a），而在LED串兩端串聯(lián)相向連接的二極管對(duì)（圖3b）使燈制造商能夠在生產(chǎn)期間施加反向偏置測試，識(shí)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(gè)LED提供并聯(lián)連接的相向二極管對(duì)，使燈模塊能夠持續(xù)工作，即使其中有個(gè)別LED發(fā)生開路故障。

　　圖3（a）和（b）不同ESD保護(hù)配置。

　　結(jié)論

　　HB-LED除了具備高能效和小尺寸，預(yù)計(jì)通常提供的長壽命周期被證實(shí)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,為瞄準(zhǔn)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(jì)人員開啟了激動(dòng)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(hù)途徑為提供最優(yōu)的現(xiàn)場使用壽命帶來很大好處。每個(gè)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(zhǔn)，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(hù)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。