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案例曝光:抗靜電指標(biāo)差的LED失效分析

發(fā)布時間:2015-03-20 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】隨著新型照明取代傳統(tǒng)照明,LED行業(yè)內(nèi)的競爭尤為激烈。LED的品質(zhì)遭到了質(zhì)疑。LED從制造、運(yùn)輸、裝配到使用過程中,都有可能引起LED的靜電損傷。直接導(dǎo)致LED過早的出現(xiàn)漏電流增大,光衰加重,由此可見,靜電對LED的品質(zhì)至關(guān)重要。

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)。因為往往抗靜電高的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)驗總結(jié),當(dāng)LED芯片受到輕微的、未被覺察的靜電損傷,這是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。

抗靜電指標(biāo)差的LED失效分析
圖1:LED靜電擊穿點(diǎn);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)

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),因為往往抗靜電能力高的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。

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。
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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。

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。

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。

抗靜電指標(biāo)差的LED失效分析
圖2:激光顯微掃描顯微儀,芯片漏電點(diǎn)查找

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

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)。

抗靜電指標(biāo)差的LED失效分析
圖3
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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。

抗靜電指標(biāo)差的LED失效分析
圖4
 
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。

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。

抗靜電指標(biāo)差的LED失效分析
圖5:數(shù)碼管電學(xué)性能測試

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。

抗靜電指標(biāo)差的LED失效分析
圖6:紅光芯片靜電擊穿點(diǎn)掃描電鏡觀察圖片

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