抗靜電指標(biāo)差的LED失效分析案例分析 金鑒實(shí)驗(yàn)室失效分析方法

隨著LED業(yè)內(nèi)競爭的不斷加劇，LED品質(zhì)受到了前所未有的重視。LED在制造、運(yùn)輸、裝配及使用過程中，生產(chǎn)設(shè)備、材料和操作者都有可能給LED帶來靜電(ESD)損傷，導(dǎo)致LED過早出現(xiàn)漏電流增大，光衰加重，甚至出現(xiàn)死燈現(xiàn)象，靜電對LED品質(zhì)有非常重要的影響。LED的抗靜電指標(biāo)絕不僅僅是簡單地體現(xiàn)它的抗靜電強(qiáng)度，LED的抗靜電能力與其漏電值、整體可靠性有很大關(guān)系，更是一個整體質(zhì)素和可靠性的綜合體現(xiàn)。因?yàn)橥轨o電高的LED，它的光特性、電特性都會好。金鑒檢測為LED產(chǎn)業(yè)客戶提供第三方LED抗靜電能力測試服務(wù)，協(xié)助客戶采購到高質(zhì)量的產(chǎn)品。

LED靜電失效原理：

由于環(huán)境中存在不同程度的靜電，通過靜電感應(yīng)或直接轉(zhuǎn)移等形式LED芯片的PN結(jié)兩端會積聚一定數(shù)量的極性相反的靜電電荷，形成不同程度的靜電電壓。當(dāng)靜電電壓超過LED的最大承受值時，靜電電荷將以極短的時間（納秒）在LED芯片的兩個電極間放電，從而產(chǎn)生熱量。在LED芯片內(nèi)部的導(dǎo)電層、PN結(jié)發(fā)光層形成1400℃以上的高溫，高溫導(dǎo)致局部熔融成小孔，從而造成LED漏電、變暗、死燈，短路等現(xiàn)象。

被靜電擊損后的LED，嚴(yán)重的往往會造成死燈、漏電。輕微的靜電損傷，LED一般沒有什么異常，但此時，該LED已經(jīng)有一定的隱患，當(dāng)它受到二次靜電損傷時，那就會出現(xiàn)暗亮、死燈、漏電的機(jī)率增大。以金鑒檢測多年的案例分析總結(jié)的數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，當(dāng)LED芯片受到輕微的、未被覺察的靜電損傷，這時候需要掃描電鏡放大到一萬倍以上進(jìn)一步確診，以防更高機(jī)率的失效事故發(fā)生。

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掃描電鏡下的藍(lán)光LED靜電擊穿點(diǎn)（放大倍數(shù)：1.3萬倍）

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抗靜電指標(biāo)取決于LED芯片，但LED燈更容易受靜電損傷

LED燈珠的抗靜電指標(biāo)高低取決于LED發(fā)光芯片本身，與封裝材料預(yù)計封裝工藝基本無關(guān)，或者說影響因素很小，很細(xì)微；LED燈更容易遭受靜電損傷，這與兩個引腳間距有關(guān)系，LED芯片裸晶的兩個電極間距非常小，一般是一百微米以內(nèi)吧，而LED引腳則是兩毫米左右，當(dāng)靜電電荷要轉(zhuǎn)移時，間距越大，越容易形成大的電位差，也就是高的電壓。所以，封成LED燈后往往更容易出現(xiàn)靜電損傷事故。

抗靜電指標(biāo)好是LED綜合性能可靠的綜合體現(xiàn)

LED的抗靜電指標(biāo)絕不僅僅是簡單地體現(xiàn)它的抗靜電強(qiáng)度，了解LED芯片外延設(shè)計制造的的人都了解，LED芯片的抗靜電能力與其漏電值、整體可靠性有很大關(guān)系，更是一個綜合質(zhì)素和可靠性的綜合體現(xiàn)，因?yàn)橥轨o電能力高的LED，它的光特性、電特性都會好。

LED的抗靜電指標(biāo)好不僅僅意味著能適用在各類產(chǎn)品和各種環(huán)境中，還是LED綜合性能可靠的體現(xiàn)。根據(jù)金鑒的實(shí)際測量的不同品牌的LED抗靜電指標(biāo)，各國際LED大廠的LED抗靜電通常都比較好，而部分B品、雜牌、韓系芯片抗靜電仍然很低。LED抗靜電能力的高低是LED可靠性的核心體現(xiàn)。即便LED的亮度和電性指標(biāo)都很好，一旦其的抗靜電指標(biāo)低，就很容易因靜電損傷而死燈。對LED的抗靜電指標(biāo)進(jìn)行測試是一項非常有效的品控手段，有效地評估LED抗靜電能力刻不容緩。
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熟悉LED制造的企業(yè)都深知目前中國LED業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，不同質(zhì)量的LED，穩(wěn)定性相差甚遠(yuǎn)，使得不少LED用戶困惑無比，甚至深受其害。其中又以因LED抗靜電低引起的暗亮、死燈、漏電等質(zhì)量事故最為損失慘重，尤其目前有一些質(zhì)量并不高的部分臺系次品、韓系企業(yè)的芯片大量涌入中國，即便是大廠產(chǎn)品，中間銷售商以次充好的現(xiàn)象時常發(fā)生，很多公司面臨著巨大的風(fēng)險。金鑒認(rèn)為，LED封裝企業(yè)只要選用抗靜能力電高一些的LED芯片，做好封裝工序，產(chǎn)品肯定可靠穩(wěn)定。LED照明廠以及LED用戶要經(jīng)常對燈珠進(jìn)行抗靜電能力測試。選用抗靜電高的LED是管控LED品質(zhì)的核心所在。

檢測方法：

不少企業(yè)都是通過“試用一批看看后果”的方式來評估LED的抗靜電，其實(shí)這是一個周期長、誤差大、成本高、風(fēng)險大的評估方法。這些企業(yè)往往在LED靜電方面都是吃一塹，長半智，加上對LED靜電測試的不了解，更多的情況下，這是不得已而為之的做法。

靜電擊穿LED是個非常復(fù)雜的過程，因此，測試LED抗靜電時的模擬設(shè)計也是一項很復(fù)雜、很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y試。金鑒認(rèn)為采用抗靜電測試相關(guān)儀器來測試時是最規(guī)范的，也是最科學(xué)、最客觀、最直接的方法。LED抗靜電測試時必須將靜電直接施加在LED的兩個引腳上，儀器的放電波形有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。其中有人體模式和機(jī)械模式兩種都是用來測量被測物體的抗靜電能力強(qiáng)弱的。

人體模式：當(dāng)靜電施加到被測物體時，串聯(lián)一個330歐姆的電阻施加出去，這就是模擬人與器件的接觸時電荷轉(zhuǎn)移，人與物體接觸通常也在330歐姆作用，所以叫人體模式。

機(jī)械模式：將靜電直接作用于被測器件上，模擬工具機(jī)械直接將靜電電荷轉(zhuǎn)移到器件上，所以叫機(jī)械模式。

這兩者測試儀器內(nèi)部靜電電荷儲能量、放電波形也有些區(qū)別。采用人體模式測試的結(jié)果一般為機(jī)械模式的8-10倍。LED行業(yè)，以及現(xiàn)在很多企業(yè)都使用人體模式的指標(biāo)。

檢測標(biāo)準(zhǔn)：
國際電工委員會的《IEC61000-4-2》
國際靜電協(xié)會的《ANSI-ESDSTM5.1.2-1999》
國際電子器件聯(lián)合委員會的《JESD22-A114/115c》

測試樣品種類：
芯片裸晶、插腳式燈珠、常規(guī)貼片燈珠、食人魚、大功率燈珠、模組及數(shù)碼管、LED燈具。

LED抗靜電指標(biāo)：
LED可以參考目前較權(quán)威的國際靜電協(xié)會(ANSI)標(biāo)準(zhǔn)中的電壓等級分類：

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案例分析一：

客戶寄來16顆封裝好的LED藍(lán)光燈珠，經(jīng)過分光測試，但未經(jīng)過老化，抗靜電的環(huán)境測試，要求查找LED芯片的漏電原因。經(jīng)過激光掃描顯微儀漏電點(diǎn)查找和芯片質(zhì)量鑒定。金鑒發(fā)現(xiàn)過多的芯片缺陷導(dǎo)致該芯片易受靜電沖擊，可靠性差。我們建議企業(yè)選用抗靜電指標(biāo)較高的LED芯片。

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綠色、藍(lán)色、白色、粉紅色LED這類LED芯片大多數(shù)都屬于雙電機(jī)構(gòu)，它的兩個電極層之間的厚度要比單電極的要薄很多，材質(zhì)也不一樣。因此它的抗靜電往往弱一些。所以藍(lán)、綠、白這類LED往往更容易死燈、漏電。

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反向電壓1V，測得漏電流0.159mA，激光掃描儀觀測到芯片上的漏電

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金鑒選取一個燈珠，用細(xì)針挑掉表面硅膠，對裸露的芯片做掃描電鏡微觀檢測。 經(jīng)掃描電鏡微觀檢查，發(fā)現(xiàn)芯片非電極材料層熔融，熔成小洞，形貌特征為靜電擊穿點(diǎn)，再次使用激光掃描顯微儀確認(rèn)所顯示的缺陷點(diǎn)為靜電擊穿點(diǎn)。

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除了靜電擊穿點(diǎn)外，金鑒發(fā)現(xiàn)芯片外延層表面有大量黑色空洞，這些缺陷表明外延層晶體質(zhì)量較差，PN結(jié)內(nèi)部存在缺陷。這些缺陷導(dǎo)致芯片易受靜電損傷，抗靜電能力差。我們建議外延廠商做外延片TEM和SIMS分析，進(jìn)一步解析產(chǎn)生空洞的原因，從而改善生產(chǎn)工藝。

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芯片質(zhì)量鑒定過程中，金鑒發(fā)現(xiàn)芯片表面有很多缺陷空洞，這些空洞是芯片晶體質(zhì)量較差的外在體現(xiàn)。

案例分析二：

客戶送測LED數(shù)碼管，樣品有反向漏電現(xiàn)象，要求金鑒檢測分析失效原因。金鑒檢測對其進(jìn)行LED抗靜電能力檢測，發(fā)現(xiàn)芯片抗靜電能力為500V，抗靜電能力極差，一般環(huán)境下幾乎不具備抗靜能力，在燈珠的生產(chǎn)和使用過程中極易受到靜電損傷，導(dǎo)致漏電現(xiàn)象，建議客戶加強(qiáng)芯片的來料檢驗(yàn)。

我們選取一個不良樣品，正表筆接1腳，負(fù)表筆接12腳，即將K1反接，發(fā)現(xiàn)其存在4mA的反向電流。又將正表筆分別接8、9、10、11腳，負(fù)表筆接12腳，1A、2A、3A、4A 均能發(fā)光，也就是說，將K1反向分別和1A、2A、3A、4A串接時， 1A、2A、3A、4A均能發(fā)光，進(jìn)一步說明該樣品K1異常，反向能導(dǎo)通。

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數(shù)碼管電學(xué)性能測試

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數(shù)碼管抗靜電檢測數(shù)據(jù)

紅光LED芯片是單電極結(jié)構(gòu)，它兩個電極之間的材質(zhì)、厚度、襯底材料與雙電極的藍(lán)綠光LED不一樣，所承受的靜電能量要比雙電極的高很多。用潰壩的原理來講，紅色類LED的“壩”修得厚很多，所用的材料也比雙電極的要好一些，它的抗靜電量自然要高很多。但是此款芯片抗靜電能力太差，只有500V。下圖為該紅光芯片靜電擊穿點(diǎn)掃描電鏡觀察圖片。

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紅光芯片靜電擊穿點(diǎn)掃描電鏡觀察圖片