【導讀】相信大多數(shù)人都遇到過LED漏電問題，二漏電的時機卻各有不同。有的漏電原因是LED封裝完成后測試時產生的，有的是長時間放置產生的，有的是老化之后產生的，有的是在焊接后產生的。下面給大家總結一下LED的漏電原因。
LED漏電的原因
在導讀部分，羅列了一些人給出的造成LED漏電的原因。根據(jù)本人多年處理LED問題及使用LED的經驗，本人認為，在目前，最可能導致LED發(fā)生漏電的主要原因排序應該如下：
(1)芯片受到沾污 (——最主要、高發(fā)問題)
(2)銀膠過高
(3)打線偏焊
(4)應力
(5)使用不當
(6)晶片本身漏電
(7)工藝不當，使得芯片開裂
(8)靜電
(9)其它原因
1. 芯片受到沾污引起漏電
LED芯片是非常小的，灰塵等易對它產生遮蔽作用，最重要的是灰塵、水汽、各種雜質離子會附著與芯片表面，不僅會在表面對芯片內部產生作用，還會擴散進入芯片內部產生作用。比如，銅離子、鈉離子都很容易擴散進入半導體材料中，非常微小的數(shù)量就可以使半導體器件的性能嚴重惡化。對于半導體器件的制造，通常都要求有凈化等級非常高的潔凈廠房?？梢钥疾煲幌翷ED封裝廠，上千家之中有幾家的廠房能有什么樣的潔凈等級?絕大多數(shù)都是能與大氣直接相通的房間，根本談不上凈化。雖然有人會說，“我們的廠房沒有灰塵，很潔凈”，可是，潔凈程度不是用眼睛來看的!眼睛是根本看不到芯片生產和封裝要求的潔凈程度的，必須是用專門的儀器來檢測。不僅僅要求廠房要達到要求的潔凈度，對涉及到芯片裸露的工序，工作人員要穿凈化工作服，戴工作帽，戴口罩，工作人員不許涂化妝品等。這些個嚴苛生產條件，目前對LED封裝廠來講，不是想不到，就是不愿做。不愿做的原因非常簡單，成本上的增加無法接受——競爭太激烈。封裝廠房達不到要求的潔凈程度，那么，LED的質量問題就來了。
早期的LED芯片以及現(xiàn)在很多廠家的芯片，都沒有在芯片的側面做保護層?，F(xiàn)在國外一些芯片廠商已經開始在芯片的側面做保護層了。但是，現(xiàn)在的保護層一般是采用二氧化硅材料，而且厚度很薄，保護能力是有限的。在潔凈度很差的封裝廠，仍然會由于沾污造成漏電現(xiàn)象。
1.1 芯片側面沒有做鈍化
很多芯片由于各種因素，沒有對芯片的側面做鈍化保護，使得芯片劃片后，PN結在側面裸露于空氣中。如圖1所示。
為什么這樣的狀況就會造成漏電呢?下面就要從微觀結構上來講講了。
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這種表面沾污造成的漏電及短期失效問題，早已被半導體元器件制造行業(yè)認識，并通過制作保護層來加以解決。
1.2 芯片側面有保護層
現(xiàn)在有些LED芯片廠在芯片側面也做上了二氧化硅保護層。但是，即使是PN結端面上有二氧化硅保護層，由于制造方面的原因，在二氧化硅中可能會有可移動的離子存在。在封裝廠的不潔凈環(huán)境中，還會收到沾污。所以，沒有良好的二氧化硅生產工藝，沒有達到潔凈等級的封裝廠房，LED封裝后出現(xiàn)漏電的幾率仍然是很高的。
二氧化硅層中的可移動離子移動到半導體材料表面，可能使P型材料表面產生耗盡層，嚴重的發(fā)生反型,從而發(fā)生漏電。
在通常的硅半導體器件制造中，為了解決二氧化硅的問題，一般會在芯片功能制造完畢后，再增加一層鈍化層。現(xiàn)在常用的是氮化硅材料。這樣會大大提高半導體器件的穩(wěn)定性和可靠性【5】【6】。這些不是本文討論的內容，提及它只是提醒大家，在LED中，雖然有二氧化硅保護層，但后期不注意保潔，還是會有漏電問題的。
對于二氧化硅中含可移動離子及沾污對漏電的更詳細的分析，讀者可以參考有關半導體的資料，如半導體物理、晶體管原理、半導體器件制造工藝等書籍。
1.3 沾污漏電的表現(xiàn)
晶體管的漏電，可能是PN結制造不良產生，也可能是沾污造成。通常，PN結不良或受損產生漏電是不可恢復的，具有正、反向漏電狀況基本相同的特征，而且常表現(xiàn)為完全穿通。沾污造成的漏電，觀察其伏安特性，通常有多種表現(xiàn)，如：正、反向漏電的伏安特性曲線不同;反向擊穿電壓蠕變;正向伏安曲線蠕變;嚴重的也會表現(xiàn)出正、反向都是穿通的狀況等。沾污漏電還表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，某些狀況下，漏電狀況還會暫時恢復正常，即暫時不漏電。
下面通過一些實例來看看沾污對LED帶來的漏電表現(xiàn)。
實例一：被反向電壓擊正常的LED
白光LED，測試正向時，有漏電，見圖7(a)。測反向時，在反向電壓小于某個值時，可以看到有很大的漏電，圖7(b)中的反向電壓為10V。當著反向電壓繼續(xù)增大時，漏電突然消失，呈現(xiàn)不漏電的狀況。圖7(c)中漏電消失時的發(fā)現(xiàn)電壓約大于10V。此時再測試正向伏安特性，可以看到，漏電完全消失，LED恢復正常。見圖7(d)。但是，這種恢復正常是暫時的，放置一段時間后，LED又會出現(xiàn)漏電。測試時，還會重復上述過程。
這種反向電壓擊正常的現(xiàn)象，分析為外加電場使得沾污離子的再分布，使其遠離PN結端面區(qū)域。因而使得PN結端面恢復正常。但是放置一段時間，由于溫度的變化，或在正向電壓作用下，沾污離子又會遷移到PN結端面附近，重新造成漏電。
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實例二、反向電流蠕變，較高反電下漏電消失。
讀者可以先看一下附件1的實測視頻——反向電壓擊正常的LED。
在此示例中可以看到，在施加反向電壓時，隨著電壓的升高，反向電流忽大忽小，即發(fā)生蠕變現(xiàn)象。當著反向電壓高到某個值時，漏電流消失了。再測正向特性，可以看到是正常的，沒有漏電流了。不過，這種恢復正常也是暫時的，放置一段時間后又會恢復漏電狀況。
實例三、反向漏電蠕變非常大，正向漏電蠕變，到VF時不漏電。 讀者可以先看一下附件2的實測視頻——大漏電會亮的LED。
本例與實例一不同的是，在較高反壓下也沒能使漏電消失，并且反向漏電非常大。但是在正向時，漏電并沒有反向的大，在正向導通后，漏電狀況反倒消失了。
實例四、反向漏電不是很大，正向電壓小于VF時漏電很大，到VF之后漏電變到很小。 讀者可以先看一下附件3的實測視頻——沾污漏電。
實例五、正向點亮前漏電非常大，到VF時基本正常。而反向漏電遠比正向漏電小。 讀者可以看一下附件4的實測視頻――LED非擊穿漏電。
實例六、LED產品嚴重漏電，類似穿通。解剖出芯片后，芯片正常，沒有漏電。
1.4 沾污漏電的判定
沾污漏電和PN結或體材料受損漏電的區(qū)分，有些狀況很難直接判定，需要解剖取出芯片來觀察分析。但是，有些現(xiàn)象確實可以區(qū)分的。比如上面的六個實例中都是沾污造成的漏電。
2. 銀膠過高造成漏電
這個問題在LED封裝業(yè)中已是常識性的、看得見的問題了，無需我多啰嗦了。
3. 打線偏焊造成漏電
這個問題在LED封裝業(yè)中也是常識性的、看得見的問題了，也無需我多啰嗦了。
4. 應力造成漏電
應力，往往是看不見的，若對材料的一些基本性質不了解，則不太好理解這個問題。其實，應力相對于日常可見的比如推土機推土那樣大的力相比，它是很難看得見的作用力而已。它往往是由于材料的熱脹冷縮而產生。應力的影響往往是在兩種材料的接觸方面。應力作用可以是直接壓力，也可以是與材料接觸面平行的橫向剪切力。舉一個簡單的例子，在兩根鐵軌之間是有一段間隙的，如果將這個間隙留的很小，當溫度升高時，兩段鐵軌的端面就會接觸，甚至擠壓變形。這就是應力作用。當兩種不同的材料粘結接觸時，當溫度發(fā)生變化，若兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同，在接觸面由于延伸或收縮尺度不同，相互間產生拉力，這就是橫向的剪切應力。
在LED中，有不同的材料，熱膨脹系數(shù)是不同的。在溫度反復變化的過程中，各物質不可能回復到它們最初接觸時的狀態(tài)，相互間會保持有一定的應力。但不一定會有害。只有當膨脹系數(shù)相差太大、工藝條件不合適時，就可能留下很大的應力。這個應力嚴重的會壓壞芯片，使芯片破損，造成漏電、部分區(qū)域裂開而不亮，嚴重的徹底開路不亮。應力不是很大時，有時也會產生嚴重的后果。
原本在LED的側面就存在著懸掛鍵，應力的作用，使得表面原子發(fā)生微位移，這些懸掛鍵的電場更加處于一種不平衡狀態(tài)，從而造成端面PN結處的能級狀態(tài)發(fā)生改變，造成漏電。
5. 使用不當造成漏電
這種狀況一般較少發(fā)生。當較高的反向電壓加給LED，可能損壞PN結，造成漏電。
這種損壞，和靜電損壞的機理是相同的。如果不是當事人自己確認，封裝廠的工程師單憑損壞的樣品來看，是很難分辨的。
6. 芯片本身漏電
通常，這種情況也是較少發(fā)生。除非芯片的次品出廠。
一般來講，芯片在制造廠是不容易受到沾污的。但是，在芯片的后續(xù)分選、包裝時，是有可能發(fā)生沾污的。本人看到過某芯片廠的后續(xù)分選、包裝車間環(huán)境就是沒有凈化等級的普通廠房。
7. 工藝不當，使得芯片開裂
芯片底部膠體不均勻，或焊盤下面有空洞，打線時可能損傷芯片產生漏電或失效。 焊線機調整不當，打傷芯片，產生漏電或失效。
8. 靜電問題
在LED行業(yè)，似乎將靜電當成了損壞LED的頭號大敵。但本人卻不這么認為。相反，將它當成次要問題。
對于靜電對LED的損壞問題，本人在一些論壇里有談過【7】?，F(xiàn)在將那些內容搬過來，并加以補充，以便大家閱讀與了解。
8.1 靜電的產生機理
通常，靜電的產生是由于摩擦或感應而產生。
摩擦靜電是由于兩個物體接觸摩擦或分離過程中產生電荷的移動而產生。導體間的摩擦留下的靜電通常比較弱，這是由于導體的導電能力強，摩擦產生的離子會在摩擦過程中及終止時很快運動到一起而中和。而絕緣體摩擦后，可能會產生較高的靜電電壓，但是電荷量卻很小。這是由于絕緣體本身的物理結構決定的。絕緣體的分子結構中，電子很難脫離原子核的束縛自由移動，所以，摩擦結果也只能產生少量的分子或原子電離。
感應靜電是物體處于電場之中，受電磁場的作用，物體中的電子發(fā)生移動而形成電場。感應靜電一般只能在導體上產生?？臻g電磁場對絕緣體的作用可以忽略。
8.2 靜電的放電機理
220V的市電可以打死人，可人們身上上千伏的電壓卻打不死人，是何道理? 電容兩端的電壓滿足下列公式：
U=Q/C
根據(jù)這個公式可以知道，當電容量很小時，很少的電荷量，就會產生很高的電壓。
通常我們的身體、身邊的物體，電容都非常小，當產生電荷后，很少的電荷量，也會產生很高的電壓。
由于電荷量很少，放電時，形成的電流非常小，時間非常短，電壓不能維持，極短的時間就降下來。由于人體不是絕緣體，所以，身體各處積累的靜電荷，在有放電通路的情況下，都會匯集過來，所以感覺電流大些，有電擊的感覺。人體、金屬物品等導體在產生靜電后，放電電流會比較大。
對于絕緣性能好的材料，一個是產生的電荷量非常小，另一方面，產生的電荷，很難流動。電壓雖然高，但某處有放電通路時，只是接觸點及附近極小范圍內的電荷可以流動放電，非接觸點的電荷則不能放電(誰叫它是絕緣體呢)。故而，就是有上萬伏的電壓，放電能量也是微乎其微的。如圖8所示。
8.3 靜電對電子元器件的危害
靜電會對LED有危害，并不是LED獨有的“專利”，就是用硅材料制造的常用的二極管、三極管，也都會受到威脅。甚至建筑、樹木、動物都可能被靜電損害(雷電就是一種靜電，我們這里就不去考慮它了)。
那么，靜電是怎么對電子元件損害的呢?我也不要扯得太遠，就只講半導體器件的問題，而且就局限于二極管、三極管、IC、LED方面。
電對半導體元器件的損壞，最終是有電流的參與。在電流的作用下，由于熱而損壞器件。要有電流，就要有電壓。但是，半導體二極管有PN結，無論是正向還是反向，PN結都會有阻擋電流的一個電壓范圍。正向勢壘低，反向勢壘則要高很多。在一個電路中，哪里的電阻大，電壓就在哪里集中。但就來看LED，電壓正向加給LED時，當外電壓小于二極管的閾值電壓(大小與材料禁帶寬度對應)，沒有正向電流，電壓全部加在PN結上。電壓反向加給LED時，當外電壓小于LED的反向擊穿電壓時，電壓也是全部加在PN結上，此時，LED的虛焊點也罷，支架也罷、P區(qū)也罷、N區(qū)也罷，統(tǒng)統(tǒng)都沒有電壓降!因為沒有電流。當著PN結擊穿后，外電壓才會由電路上的所有電阻分擔。哪個地方電阻大，哪個部分承擔的電壓就高。就LED而言，自然是PN結承擔了大部分電壓。在PN結上產生的熱功率就是它上面的壓降乘以電流值。若是電流值不加限制，過高的熱量就會將PN結燒壞，PN結失去作用而穿通。
IC為什么會比較怕靜電，因為，IC中的每個元件的面積非常小，每個元件的寄生電容也就非常小(往往電路功能就要求寄生電容非常小)，所以，少量的靜電電荷就會產生很高的靜電電壓，而且每個元件的功率耐量通常也很小，所以，靜電放電就很容易損壞IC。但是通常的分立元件，如普通的小功率二極管、小功率三極管都不是非常怕靜電，因為它們芯片的面積比較大，寄生電容也比較大，一般的靜定不容易在它們上面積累高電壓。小功率的MOS管，由于柵極氧化層很薄，寄生電容小，所以很容易遭靜電損壞，通常會在封裝完成后將三個電極短路后出廠。使用中也常要求在焊接完成后再去掉短路線。而大功率的MOS管，由于芯片面積大，一般的靜電也不會損壞它們。所以你會看到，現(xiàn)在功率MOS管的三個電極是沒有短路線保護的。(早期制造廠還是將它們短路后出廠的)
LED實際就是有個二極管，它的面積相對IC內的每個元件來講，是非常大的。所以LED的寄生電容相對來說也是比較大的。所以，一般場合的靜電并不能損壞LED。
一般場合的靜電，尤其是絕緣體上產生的靜電，電壓會很高，但放電電荷量極微，而且放電電流持續(xù)時間很短。而導體上感應的靜電，電壓可能不是很高，但是放電電流卻可能很大，而且往往是持續(xù)的電流。這樣對電子元件的危害就非常大。
8.4 為什么說靜電對LED的損害是不常發(fā)生的呢
先來看一個試驗現(xiàn)象。一塊金屬鐵板上帶有500V的靜電，將LED放到金屬板上(放的方法要注意，避免下述的問題發(fā)生)，大家說LED會被損壞嗎?這里，LED要被損壞，通常應該是被加上大于其擊穿電壓的電壓，也就是說LED的兩個電極要同時接觸金屬板，并具有大于擊穿電壓的電壓。由于鐵板是良導體，其上各處的感應電壓相等，所謂500V的電壓是相對于地而言的，所以，LED兩電極間是沒有電壓的，自然也就不會受到任何損傷了。除非，你將LED的一個電極接觸鐵板，另一個電極你用導體(未戴絕緣手套的手或導線)連接到地或其它導體上。
上面的試驗現(xiàn)象提示我們，LED在靜電場中時，必須是一個電極接觸靜電體，另一個電極要接觸地或其它導體才可能受損。在實際生產和應用中，以LED那么小的體積，很少有機會發(fā)生那樣的事情，尤其是批量發(fā)生那樣的事情。偶然的事件是可能的。比如，LED處于靜電體上，且一個電極接觸到靜電體，另一個電極剛好是懸空的，此時有人去觸及了懸空的那個電極，就可能損傷LED。
上面的現(xiàn)象告訴我們，靜電問題也不是可以忽視的。 靜電放電是要有導電回路的，不是有靜電就有損害。
上面的現(xiàn)象還提示我們，當著僅有極少量的漏電問題發(fā)生，可以考慮靜電偶然損壞問題。若是大量發(fā)生，則更多的可能是芯片沾污或應力的問題。
9. 其它原因引起漏電
本人曾遇到過這樣的漏電狀況，LED被封裝與一個殼體中，LED周圍灌有軟膠以防水?？墒菑腖ED的引線上測到有嚴重的漏電。將周圍的灌封膠去除后，漏電消失。這里其實并不是LED漏電，而是灌封膠有問題。
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