LED工程師不愿告訴你的秘密:LED芯片漏電原因分析
LED屏網(wǎng)報道
LED漏電的問題有很多人都遇到過有的是在生產(chǎn)檢測時就發(fā)現(xiàn)有的是在客戶使用時發(fā)現(xiàn)漏電出現(xiàn)的時機也各有不同有些是在LED封裝完成后的測試時就有;有些是在倉庫放置一段時間后出現(xiàn);有些是在老化一段時間后出現(xiàn);有些是在客戶焊接后出現(xiàn);有些是在客戶使用一段時間后出現(xiàn)而對漏電問題的具體發(fā)生原因一直困擾著封裝廠的工程師
LED漏電的原因
在引言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(jīng)驗本人認(rèn)為在目前最可能導(dǎo)致LED發(fā)生漏電的主要原因排序應(yīng)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(yīng)力
5使用不當(dāng)
6晶片本身漏電
7工藝不當(dāng)使得芯片開裂
8靜電
9其它原因
本人將靜電問題幾乎排到了最后幾乎顛覆了行業(yè)乃至專家的認(rèn)識為什么把靜電問題排在了最后后面再談詳細(xì)原因
對LED漏電原因的分析:
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(chǎn)生遮蔽作用最重要的是灰塵水汽各種雜質(zhì)離子會附著與芯片表面不僅會在表面對芯片內(nèi)部產(chǎn)生作用還會擴散進(jìn)入芯片內(nèi)部產(chǎn)生作用比如銅離子鈉離子都很容易擴散進(jìn)入半導(dǎo)體材料中非常微小的數(shù)量就可以使半導(dǎo)體器件的性能嚴(yán)重惡化對于半導(dǎo)體器件的制造通常都要求有凈化等級非常高的潔凈廠房可以考察一下LED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(chǎn)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(dá)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(yán)苛生產(chǎn)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(dá)不到要求的潔凈程度那么LED的質(zhì)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(cè)面做保護(hù)層現(xiàn)在國外一些芯片廠商已經(jīng)開始在芯片的側(cè)面做保護(hù)層了但是現(xiàn)在的保護(hù)層一般是采用二氧化硅材料而且厚度很薄保護(hù)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
下面我們來做分析
芯片側(cè)面沒有做鈍化
很多芯片由于各種因素沒有對芯片的側(cè)面做鈍化保護(hù)使得芯片劃片后PN結(jié)在側(cè)面裸露于空氣中如圖1所示
以前未作側(cè)面鈍化的圓片劃片方法見圖2和圖3.從圖4對實際芯片包裝的照片上就可以證明芯片側(cè)面是不做鈍化的因為從照片上可以看到芯片側(cè)面極不規(guī)整為什么這樣芯片還可以出廠呢?因為在芯片廠里側(cè)面即使沒有保護(hù)層由于廠房的潔凈度高加之裸露時間不長側(cè)面還沒有受到沾污所以測量是沒有漏電的就將它們出廠了
為什么這樣的狀況就會造成漏電呢?下面就要從微觀結(jié)構(gòu)上來講講了
圖5是一個晶體表面處的微觀結(jié)構(gòu)示意圖表面處原子外層電子數(shù)不飽和存在懸掛鍵這些懸掛鍵形成表面態(tài)能級引起漏電而且這些懸掛鍵非常有活性很容易吸附其它分子原子和離子所吸附的雜質(zhì)發(fā)生電離直接就形成了電流通道這個電流通道相當(dāng)于給PN結(jié)并聯(lián)了一個電阻
這種表面沾污造成的漏電及短期失效問題早已被半導(dǎo)體元器件制造行業(yè)認(rèn)識并通過制作保護(hù)層來加以解決
芯片側(cè)面有保護(hù)層
現(xiàn)在有些LED芯片廠在芯片側(cè)面也做上了二氧化硅保護(hù)層但是即使是PN結(jié)端面上有二氧化硅保護(hù)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(chǎn)工藝沒有達(dá)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(dǎo)體材料表面可能使P型材料表面產(chǎn)生耗盡層嚴(yán)重的發(fā)生反型,從而發(fā)生漏電
在通常的硅半導(dǎo)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(dǎo)體器件的穩(wěn)定性和可靠性這些不是本文討論的內(nèi)容提及它只是提醒大家在LED中雖然有二氧化硅保護(hù)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(xì)的分析讀者可以參考有關(guān)半導(dǎo)體的資料如半導(dǎo)體物理晶體管原理半導(dǎo)體器件制造工藝等書籍
沾污漏電的表現(xiàn)
晶體管的漏電可能是PN結(jié)制造不良產(chǎn)生也可能是沾污造成通常PN結(jié)不良或受損產(chǎn)生漏電是不可恢復(fù)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(yán)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(fù)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7a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7b中的反向電壓為10V當(dāng)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7c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(fù)正常見圖7d但是這種恢復(fù)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(fù)上述過程
從正反向的漏電曲線看它們的漏電程度是不同的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(yuǎn)離PN結(jié)端面區(qū)域因而使得PN結(jié)端面恢復(fù)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(jié)端面附近重新造成漏電
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(dāng)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(fù)正常也是暫時的放置一段時間后又會恢復(fù)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?qū)ê?span id="v6gdrao" class="myIcon">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(yuǎn)比正向漏電小讀者可以看一下LED非擊穿漏電
實例六LED產(chǎn)品嚴(yán)重漏電類似穿通解剖出芯片后芯片正常沒有漏電
沾污漏電的判定
沾污漏電和PN結(jié)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
本節(jié)小結(jié)
沾污漏電PN結(jié)沒有損傷它是由于沾污離子直接或間接參與導(dǎo)電形成的這種狀況在半導(dǎo)體制造行業(yè)中是一個常識性的問題已經(jīng)有很多表面鈍化方法可以很好地解決LED行業(yè)雖然也是屬于半導(dǎo)體行業(yè)但是就LED封裝行業(yè)來看由于技術(shù)門檻低使得這個行業(yè)中有半導(dǎo)體專業(yè)知識的人員非常少結(jié)果一個很普通的常識性的問題在LED行業(yè)中成了一個難以克服的問題之所以難以克服就是因為沒有找到問題的癥結(jié)而是一味聽信于一些專家對靜電問題的夸大宣傳結(jié)果是花費了大量資金和精力于防靜電上防靜電措施做得非常好了可是漏電現(xiàn)象依然發(fā)生
在前面已經(jīng)提到了絕大多數(shù)的封裝廠的生產(chǎn)環(huán)境非常差沒有凈化廠房LED漏電現(xiàn)象是在所難免的所以有些人會說到入庫產(chǎn)品每隔幾天拿出來測試就會發(fā)現(xiàn)有漏電的產(chǎn)品出現(xiàn)凈化廠房可不是指用拖布拖得干干凈凈的底板非常亮的就是凈化廠房在LED的固晶焊線封膠等工序中由于芯片會裸露于空氣中所以必須要有達(dá)到一定等級的凈化程度凈化等級是要用儀器來測量確定的絕不是用眼睛能看到的
靜電的狀況是隨機的雖然它似乎無處不在但它絕不是處處都能夠釋放足夠的能量造成破壞關(guān)于靜電的問題后面再談
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
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
應(yīng)力造成漏電
應(yīng)力往往是看不見的若對材料的一些基本性質(zhì)不了解則不太好理解這個問題其實應(yīng)力相對于日?？梢姷谋热缤仆翙C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(chǎn)生應(yīng)力的影響往往是在兩種材料的接觸方面應(yīng)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(dāng)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(yīng)力作用當(dāng)兩種不同的材料粘結(jié)接觸時當(dāng)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(chǎn)生拉力這就是橫向的剪切應(yīng)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(fù)變化的過程中各物質(zhì)不可能回復(fù)到它們最初接觸時的狀態(tài)相互間會保持有一定的應(yīng)力但不一定會有害只有當(dāng)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(yīng)力這個應(yīng)力嚴(yán)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(yán)重的徹底開路不亮應(yīng)力不是很大時有時也會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果
原本在LED的側(cè)面就存在著懸掛鍵應(yīng)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(jié)處的能級狀態(tài)發(fā)生改變造成漏電
使用不當(dāng)造成漏電
這種狀況一般較少發(fā)生當(dāng)較高的反向電壓加給LED可能損壞PN結(jié)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(dāng)事人自己確認(rèn)封裝廠的工程師單憑損壞的樣品來看是很難分辨的
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
工藝不當(dāng)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(chǎn)生漏電或失效 焊線機調(diào)整不當(dāng)打傷芯片產(chǎn)生漏電或失效
靜電問題
在LED行業(yè)似乎將靜電當(dāng)成了損壞LED的頭號大敵但本人卻不這么認(rèn)為相反將它當(dāng)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現(xiàn)在將那些內(nèi)容搬過來并加以補充以便大家閱讀與了解
靜電的產(chǎn)生機理
通常靜電的產(chǎn)生是由于摩擦或感應(yīng)而產(chǎn)生
摩擦靜電是由于兩個物體接觸摩擦或分離過程中產(chǎn)生電荷的移動而產(chǎn)生導(dǎo)體間的摩擦留下的靜電通常比較弱這是由于導(dǎo)體的導(dǎo)電能力強摩擦產(chǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)決定的絕緣體的分子結(jié)構(gòu)中電子很難脫離原子核的束縛自由移動所以摩擦結(jié)果也只能產(chǎn)生少量的分子或原子電離
感應(yīng)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(yīng)靜電一般只能在導(dǎo)體上產(chǎn)生空間電磁場對絕緣體的作用可以忽略
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(dāng)電容量很小時很少的電荷量就會產(chǎn)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(dāng)產(chǎn)生電荷后很少的電荷量也會產(chǎn)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(dǎo)體在產(chǎn)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(chǎn)生的電荷量非常小另一方面產(chǎn)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(nèi)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
所以雖然塑料周轉(zhuǎn)箱包裝泡沫上化纖地毯等的靜電電壓非常高其實放電能量非常小
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(yuǎn)就只講半導(dǎo)體器件的問題而且就局限于二極管三極管ICLED方面否則會啰嗦太多沖淡主題
電對半導(dǎo)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(dǎo)體二極管有PN結(jié)無論是正向還是反向PN結(jié)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(dāng)外電壓小于二極管的閾值電壓大小與材料禁帶寬度對應(yīng)沒有正向電流電壓全部加在PN結(jié)上電壓反向加給LED時當(dāng)外電壓小于LED的反向擊穿電壓時電壓也是全部加在PN結(jié)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(dāng)著PN結(jié)擊穿后外電壓才會由電路上的所有電阻分擔(dān)哪個地方電阻大哪個部分承擔(dān)的電壓就高就LED而言自然是PN結(jié)承擔(dān)了大部分電壓在PN結(jié)上產(chǎn)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(jié)燒壞PN結(jié)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(chǎn)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(hù)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(nèi)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(chǎn)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(dǎo)體上感應(yīng)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
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(yīng)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(dǎo)體其上各處的感應(yīng)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(dǎo)體未戴絕緣手套的手或?qū)Ь€連接到地或其它導(dǎo)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(dǎo)體才可能受損在實際生產(chǎn)和應(yīng)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(dǎo)電回路的不是有靜電就有損害當(dāng)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(yīng)力的問題
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可是從LED的引線上測到有嚴(yán)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
后記
對于LED的漏電問題前述的幾項大家基本沒有什么異議而對于芯片沾污和應(yīng)力造成漏電LED行業(yè)不了解的人想必很多尤其是LED經(jīng)過客戶的手后再反映漏電封裝廠和芯片廠都會歸咎于靜電理由是它們在出廠時是沒有漏電的這其實就是因為沾污或應(yīng)力問題的存在而導(dǎo)致的可靠性問題具體就是早期失效問題很多封裝廠的工程師不了解這些因為非常多的封裝工程師不是學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件專業(yè)的
有些不了解的人還會把漏電原因歸結(jié)于封裝廠使用了爛芯片封裝廠也會感到很委屈確實有用爛芯片的這個也不排除
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