安森美半導體的中心議題：
- 優化高亮度LED的使用壽命
- 外延層易受ESD損傷
- 集成保護
- 側面貼裝TVS二極管應用LED保護
- 采用硅次級貼裝提供的ESD保護
優化高亮度LED的使用壽命 – ESD保護考慮事項
作者：安森美半導體保護產品分部高級產品營銷經理Vidya Premkumar
隨著亮度和能效的提升，延長使用壽命已經為促進基于高亮度發光二極管(HB-LED)的固態照明設計快速發展的主要因素之一。然而，并非所有HB-LED在這些方面都旗鼓相當，制造商應用靜電放電(ESD)保護的方式可能是影響HB-LED現場使用壽命的一個至關重要的因素。安森美半導體的Vidya Premkumar將在本文中探討ESD保護的重要性，闡釋HB-LED模塊制造商正在使用、旨在確保設計將使用壽命和質量潛能提升至最優的最新先進保護技術。
簡介：演進曲線之外的威脅
綠光和藍光LED的商業化，再結合近年來實現的每個器件平均光輸出穩步快速的提升，固態照明開啟了大量新的應用市場。HB-LED的價格和性能已經超越類似于針對晶體管密度的摩爾定律的海茲定律(Haitz’s Law)；根據這個定律，LED的光輸出等級每2年會翻倍，平均每流明光輸出的成本每10年會降低10倍。
事實上，LED的光輸出如今每18個月甚至更短時間就翻倍，如今市場上已有光效達到120 lm/W的器件，而領先的實驗室甚至都演示了光效達200 lm/W的LED。HB-LED的光輸出能力和成本大幅改善的同時，也面臨著與當今先進集成電路(IC)一樣的問題——易因ESD遭受嚴重損傷。
IC制造商已經將ESD損傷確定為CMOS器件現場可靠性的一項主要威脅，因為它可能損害品牌形象并妨礙市場接受新技術。為了應對這個問題，業界積極努力用后續新工藝節點來優化集成ESD保護架構，雖然這項工作很少(如果有的話)受到媒體的關注。與之類似，領先的HB-LED制造商也將ESD確定為固態照明機遇的一項顯著威脅，并與ESD專業人士協作制定適合的保護措施。雖然總光輸出增加提供了最激動人心的故事情節，但眾多有效的ESD保護措施已經應運而生，并正被集成到知名制造商推廣的HB-LED之中。
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易受 ESD損傷
將藍寶石襯底和制造綠光和藍光發射器時使用的外延集成在一起，結果使得器件與紅光LED等相比更易受到ESD損傷。由于藍寶石襯底是純絕緣體，生產期間加工器件時會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，很可能就是因為制造過程帶入瑕疵等效應引起的。
在CMOS器件中，制造期間發生的ESD操作可能在投入現場應用之前仍然還未被發現，使得應用現場可能會發生未預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暗點，這會導致LED光輸出下降，并可能使LED燈泡沒用多久就出現故障。LED制造期間的高ESD損傷率會損及量產良率，并實際導致良品的價格升高。由于HB-LED的長工作壽命是固態照明相對于傳統照明的一項重要優勢， HB-LED有效的ESD保護顯然必不可少。
如果LED模塊中不含適合的保護，客戶工程師可能需要在電路板級應用分立保護，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高昂，而且板級ESD保護遠不足以為LED裸片提供保護。在封裝中集成有效的ESD保護是一種更合意的途徑，受到了當今眾多HB-LED制造大廠的青睞。ESD保護可以應用為LED發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發射器裸片的次級貼裝(submount)或側面貼裝(sidemount)。
集成保護
業內出現了下面兩種集成ESD配置。如圖1所示的側面貼裝配置將瞬態電壓抑制器(TVS)二極管應用在與LED發射器裸片相同的封裝內，二極管可以使用線邦定或倒裝芯片技術來連接，取決于具體應用要求。額定ESD等級因裸片尺寸不同而不同，通常介于8 kV至15 kV人體模型(HBM)之間。
圖1. 使用側面貼裝TVS二極管應用LED保護
圖2顯示了可以怎樣藉在LED和引線框之間應用硅次級貼裝來更緊密地集成ESD保護。這種構造使LED外形尺寸更緊湊；次級貼裝替代側面貼裝LED模塊中使用的傳統襯底，提供的ESD保護等級超過15 kV HBM。硅次級貼裝的良好熱傳導性也幫助LED緩解由于LED與引線框熱膨脹系數不同導致的應力。
圖 2. 采用硅次級貼裝提供的ESD保護。
這兩種途徑都符合多種頂部及背部鍍金工藝以適應大多數制造要求，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。
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保護性能
集成ESD保護二極管陣列的最關鍵參數包括低動態電阻(Rdyn)和低輸入電容(Cin)，這樣ESD保護器件就能夠快速地響應ESD尖峰，并耗散大多數電流，從而避免LED裸片損傷。安森美半導體的ESD保護技術產品在次級貼裝保護器中提供僅在0.2至0.4 Ω等級的極低動態阻抗。安森美半導體的次級貼裝保護器件本質上比競爭產品提供更佳的動態電阻，這在ESD等瞬態事件期間轉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。此外，次級貼裝保護器也提供浪涌保護，這在LED暴露于電源浪涌或雷電尖峰的應用中非常重要。
大多數固態燈模塊都包括串聯連接的共用封裝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。用于背光應用或營造特殊效果的燈中，LED陣列可能包含紅光、藍光和綠光裸片，支持混色，微調LED發射出的色彩 。由于每個LED都有3.5 V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。安森美半導體的側面貼裝和次級貼裝ESD保護制造工藝可以調節用于6 V至110 V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；側面貼裝和次級貼裝也具備不同的封裝選擇，從倒裝芯片到頂部和底部(top and bottom)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串兩端并聯連接一個TVS二極管提供規定的ESD保護等級(見圖3a)，而在LED串兩端串聯相向連接的二極管對(圖3b)使燈制造商能夠在生產期間施加反向偏置測試，識別出并隔離次品模塊，從而防止流向客戶。更復雜的二極管陣列為包含多顆LED的LED串中的每個LED提供并聯連接的相向二極管對，使燈模塊能夠持續工作，即使其中有個別LED發生開路故障。
圖3(a)和(b). 不同ESD保護配置。
結論
HB-LED除了具備高能效和小尺寸，預計通常提供的長壽命周期被證實是固態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、藍和紅光的HB-LED，為瞄準高能效背光燈、街燈、內部照明、任務燈、電子標志和汽車剎車燈及頭燈等應用的設計人員開啟了激動人心的新通道。由于不同制造商的HB-LED規格可能有很大不同，全面理解HB-LED采用的ESD保護途徑為提供最優的現場使用壽命帶來很大好處。每個原設備制造商(OEM)在封裝、工藝技術和材料成分方面都有一套非常具體的標準，需要加以考慮。因此，為了獲得所需的優化性能參數，他們需要深入合作的供應商不是局限于提供少數不同LED保護方案的供應商，而是提供寬廣選擇范圍、支持作出最佳匹配的供應商。
