LED漏电原因分析.docx
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LED漏电原因分析.docx
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LED漏电原因分析
LED漏电得问题,有很多人都遇到过。
有得就是在生产检测时就发现,有得就是在客户使用时发现。
漏电出现得时机也各有不同。
有些就是在LED封装完成后得测试时就有;有些就是在仓库放置一段时间后出现;有些就是在老化一段时间后出现;有些就是在客户焊接后出现;有些就是在客户使用一段时间后出现。
而对漏电问题得具体发生原因,一直困扰着封装厂得工程师。
LED漏电得原因
在引言部分,罗列了一些人给出得造成LED漏电得原因。
根据本人多年处理LED问题及使用LED得经验,本人认为,在目前,最可能导致LED发生漏电得主要原因排序应该如下:
(1)芯片受到沾污 (——最主要、高发问题)
(2)银胶过高ﻫ(3)打线偏焊
(4)应力
(5)使用不当ﻫ(6)晶片本身漏电ﻫ(7)工艺不当,使得芯片开裂ﻫ(8)静电ﻫ(9)其它原因
本人将静电问题几乎排到了最后,几乎颠覆了行业乃至专家得认识。
为什么把静电问题排在了最后,后面再谈详细原因。
对LED漏电原因得分析:
芯片受到沾污引起漏电
LED芯片就是非常小得,灰尘等易对它产生遮蔽作用,最重要得就是灰尘、水汽、各种杂质离子会附着与芯片表面,不仅会在表面对芯片内部产生作用,还会扩散进入芯片内部产生作用。
比如,铜离子、钠离子都很容易扩散进入半导体材料中,非常微小得数量就可以使半导体器件得性能严重恶化。
对于半导体器件得制造,通常都要求有净化等级非常高得洁净厂房。
可以考察一下LED封装厂,上千家之中有几家得厂房能有什么样得洁净等级?
绝大多数都就是能与大气直接相通得房间,根本谈不上净化。
虽然有人会说,“我们得厂房没有灰尘,很洁净”,可就是,洁净程度不就是用眼睛来瞧得!
眼睛就是根本瞧不到芯片生产与封装要求得洁净程度得,必须就是用专门得仪器来检测。
不仅仅要求厂房要达到要求得洁净度,对涉及到芯片裸露得工序,工作人员要穿净化工作服,戴工作帽,戴口罩,工作人员不许涂化妆品等。
这些个严苛生产条件,目前对LED封装厂来讲,不就是想不到,就就是不愿做。
不愿做得原因非常简单,成本上得增加无法接受——竞争太激烈。
封装厂房达不到要求得洁净程度,那么,LED得质量问题就来了。
早期得LED芯片以及现在很多厂家得芯片,都没有在芯片得侧面做保护层。
现在国外一些芯片厂商已经开始在芯片得侧面做保护层了。
但就是,现在得保护层一般就是采用二氧化硅材料,而且厚度很薄,保护能力就是有限得。
在洁净度很差得封装厂,仍然会由于沾污造成漏电现象。
下面我们来做分析。
芯片侧面没有做钝化
很多芯片由于各种因素,没有对芯片得侧面做钝化保护,使得芯片划片后,PN结在侧面裸露于空气中。
如图1所示。
ﻫ
以前未作侧面钝化得圆片,划片方法见图2与图3、从图4对实际芯片包装得照片上就可以证明芯片侧面就是不做钝化得。
因为从照片上可以瞧到,芯片侧面极不规整。
为什么这样芯片还可以出厂呢?
因为,在芯片厂里,侧面即使没有保护层,由于厂房得洁净度高,加之裸露时间不长,侧面还没有受到沾污,所以测量就是没有漏电得,就将它们出厂了。
ﻫﻫ
ﻫ为什么这样得状况就会造成漏电呢?
下面就要从微观结构上来讲讲了。
ﻫﻫ图5就是一个晶体表面处得微观结构示意图。
表面处原子外层电子数不饱与,存在悬挂键。
这些悬挂键形成表面态能级,引起漏电【3】【4】。
而且,这些悬挂键非常有活性,很容易吸附其它分子、原子与离子。
所吸附得杂质发生电离,直接就形成了电流通道。
这个电流通道相当于给PN结并联了一个电阻。
ﻫ
这种表面沾污造成得漏电及短期失效问题,早已被半导体元器件制造行业认识,并通过制作保护层来加以解决。
芯片侧面有保护层
现在有些LED芯片厂在芯片侧面也做上了二氧化硅保护层。
但就是,即使就是PN结端面上有二氧化硅保护层,由于制造方面得原因,在二氧化硅中可能会有可移动得离子存在。
在封装厂得不洁净环境中,还会收到沾污。
所以,没有良好得二氧化硅生产工艺,没有达到洁净等级得封装厂房,LED封装后出现漏电得几率仍然就是很高得。
二氧化硅层中得可移动离子移动到半导体材料表面,可能使P型材料表面产生耗尽层,严重得发生反型,从而发生漏电。
在通常得硅半导体器件制造中,为了解决二氧化硅得问题,一般会在芯片功能制造完毕后,再增加一层钝化层。
现在常用得就是氮化硅材料。
这样会大大提高半导体器件得稳定性与可靠性【5】【6】。
这些不就是本文讨论得内容,提及它只就是提醒大家,在LED中,虽然有二氧化硅保护层,但后期不注意保洁,还就是会有漏电问题得。
对于二氧化硅中含可移动离子及沾污对漏电得更详细得分析,读者可以参考有关半导体得资料,如半导体物理、晶体管原理、半导体器件制造工艺等书籍。
沾污漏电得表现
晶体管得漏电,可能就是PN结制造不良产生,也可能就是沾污造成。
通常,PN结不良或受损产生漏电就是不可恢复得,具有正、反向漏电状况基本相同得特征,而且常表现为完全穿通。
沾污造成得漏电,观察其伏安特性,通常有多种表现,如:
正、反向漏电得伏安特性曲线不同;反向击穿电压蠕变;正向伏安曲线蠕变;严重得也会表现出正、反向都就是穿通得状况等。
沾污漏电还表现出不稳定性,某些状况下,漏电状况还会暂时恢复正常,即暂时不漏电。
下面通过一些实例来瞧瞧沾污对LED带来得漏电表现。
实例一:
被反向电压击正常得LED
白光LED,测试正向时,有漏电,见图7(a)。
测反向时,在反向电压小于某个值时,可以瞧到有很大得漏电,图7(b)中得反向电压为10V。
当着反向电压继续增大时,漏电突然消失,呈现不漏电得状况。
图7(c)中漏电消失时得发现电压约大于10V。
此时再测试正向伏安特性,可以瞧到,漏电完全消失,LED恢复正常。
见图7(d)。
但就是,这种恢复正常就是暂时得,放置一段时间后,LED又会出现漏电。
测试时,还会重复上述过程。
从正、反向得漏电曲线瞧,它们得漏电程度就是不同得。
这种反向电压击正常得现象,分析为外加电场使得沾污离子得再分布,使其远离PN结端面区域。
因而使得PN结端面恢复正常。
但就是放置一段时间,由于温度得变化,或在正向电压作用下,沾污离子又会迁移到PN结端面附近,重新造成漏电。
实例二、反向电流蠕变,较高反电下漏电消失。
读者可以先瞧一下附件1得实测视频——反向电压击正常得LED。
在此示例中可以瞧到,在施加反向电压时,随着电压得升高,反向电流忽大忽小,即发生蠕变现象。
当着反向电压高到某个值时,漏电流消失了。
再测正向特性,可以瞧到就是正常得,没有漏电流了。
不过,这种恢复正常也就是暂时得,放置一段时间后又会恢复漏电状况。
实例三、反向漏电蠕变非常大,正向漏电蠕变,到VF时不漏电。
读者可以先瞧一下附件2得实测视频——大漏电会亮得LED。
本例与实例一不同得就是,在较高反压下也没能使漏电消失,并且反向漏电非常大。
但就是在正向时,漏电并没有反向得大,在正向导通后,漏电状况反倒消失了。
实例四、反向漏电不就是很大,正向电压小于VF时漏电很大,到VF之后漏电变到很小。
读者可以先瞧一下沾污漏电。
实例五、正向点亮前漏电非常大,到VF时基本正常。
而反向漏电远比正向漏电小。
读者可以瞧一下LED非击穿漏电。
实例六、LED产品严重漏电,类似穿通。
解剖出芯片后,芯片正常,没有漏电。
沾污漏电得判定
沾污漏电与PN结或体材料受损漏电得区分,有些状况很难直接判定,需要解剖取出芯片来观察分析。
但就是,有些现象确实可以区分得。
比如上面得六个实例中都就是沾污造成得漏电。
本节小结
沾污漏电,PN结没有损伤,它就是由于沾污离子直接或间接参与导电形成得。
这种状况在半导体制造行业中就是一个常识性得问题,已经有很多表面钝化方法可以很好地解决。
LED行业虽然也就是属于半导体行业,但就是就LED封装行业来瞧,由于技术门槛低,使得这个行业中有半导体专业知识得人员非常少。
结果一个很普通得、常识性得问题,在LED行业中成了一个难以克服得问题。
之所以难以克服,就就是因为没有找到问题得症结。
而就是一味听信于一些“专家”对静电问题得夸大宣传。
结果就是花费了大量资金与精力于防静电上。
防静电措施做得非常好了,可就是漏电现象依然发生。
在前面已经提到了,绝大多数得封装厂得生产环境非常差,没有净化厂房,LED漏电现象就是在所难免得。
所以有些人会说到,入库产品每隔几天拿出来测试就会发现有漏电得产品出现。
“净化厂房”可不就是指用拖布拖得干干净净得、底板非常亮得就就是净化厂房。
在LED得固晶、焊线、封胶等工序中,由于芯片会裸露于空气中,所以必须要有达到一定等级得净化程度。
净化等级就是要用仪器来测量确定得,绝不就是用眼睛能瞧到得。
静电得状况就是随机得,虽然它似乎无处不在,但它绝不就是处处都能够释放足够得能量造成破坏。
关于静电得问题后面再谈。
银胶过高造成漏电
这个问题在LED封装业中已就是常识性得、瞧得见得问题了,无需我多啰嗦了。
打线偏焊造成漏电
这个问题在LED封装业中也就是常识性得、瞧得见得问题了,也无需我多啰嗦了。
应力造成漏电
应力,往往就是瞧不见得,若对材料得一些基本性质不了解,则不太好理解这个问题。
其实,应力相对于日常可见得比如推土机推土那样大得力相比,它就是很难瞧得见得作用力而已。
它往往就是由于材料得热胀冷缩而产生。
应力得影响往往就是在两种材料得接触方面。
应力作用可以就是直接压力,也可以就是与材料接触面平行得横向剪切力。
举一个简单得例子,在两根铁轨之间就是有一段间隙得,如果将这个间隙留得很小,当温度升高时,两段铁轨得端面就会接触,甚至挤压变形。
这就就是应力作用。
当两种不同得材料粘结接触时,当温度发生变化,若两种材料得热膨胀系数不同,在接触面由于延伸或收缩尺度不同,相互间产生拉力,这就就是横向得剪切应力。
在LED中,有不同得材料,热膨胀系数就是不同得。
在温度反复变化得过程中,各物质不可能回复到它们最初接触时得状态,相互间会保持有一定得应力。
但不一定会有害。
只有当膨胀系数相差太大、工艺条件不合适时,就可能留下很大得应力。
这个应力严重得会压坏芯片,使芯片破损,造成漏电、部分区域裂开而不亮,严重得彻底开路不亮。
应力不就是很大时,有时也会产生严重得后果。
原本在LED得侧面就存在着悬挂键,应力得作用,使得表面原子发生微位移,这些悬挂键得电场更加处于一种不平衡状态,从而造成端面PN结处得能级状态发生改变,造成漏电。
使用不当造成漏电
这种状况一般较少发生。
当较高得反向电压加给LED,可能损坏PN结,造成漏电。
这种损坏,与静电损坏得机理就是相同得。
如果不就是当事人自己确认,封装厂得工程师单凭损坏得样品来瞧,就是很难分辨得。
芯片本身漏电
通常,这种情况也就是较少发生。
除非芯片得次品出厂。
一般来讲,芯片在制造厂就是不容易受到沾污得。
但就是,在芯片得后续分选、包装时,就是有可能发生沾污得。
本人瞧到过某芯片厂得后续分选、包装车间环境就就是没有净化等级得普通厂房。
工艺不当,使得芯片开裂
芯片底部胶体不均匀,或焊盘下面有空洞,打线时可能损伤芯片产生漏电或失效。
焊线机调整不当,打伤芯片,产生漏电或失效。
静电问题
在LED行业,似乎将静电当成了损坏LED得头号大敌。
但本人却不这么认为。
相反,将它当成次要问题。
对于静电对LED得损坏问题,本人在一些论坛里有谈过【7】。
现在将那些内容搬过来,并加以补充,以便大家阅读与了解。
静电得产生机理
通常,静电得产生就是由于摩擦或感应而产生。
摩擦静电就是由于两个物体接触摩擦或分离过程中产生电荷得移动而产生。
导体间得摩擦留下得静电通常比较弱,这就是由于导体得导电能力强,摩擦产生得离子会在摩擦过程中及终止时很快运动到一起而中与。
而绝缘体摩擦后,可能会产生较高得静电电压,但就是电荷量却很小。
这就是由于绝缘体本身得物理结构决定得。
绝缘体得分子结构中,电子很难脱离原子核得束缚自由移动,所以,摩擦结果也只能产生少量得分子或原子电离。
感应静电就是物体处于电场之中,受电磁场得作用,物体中得电子发生移动而形成电场。
感应静电一般只能在导体上产生。
空间电磁场对绝缘体得作用可以忽略。
静电得放电机理
220V得市电可以打死人,可人们身上上千伏得电压却打不死人,就是何道理?
电容两端得电压满足下列公式:
U=Q/C。
根据这个公式可以知道,当电容量很小时,很少得电荷量,就会产生很高得电压。
通常我们得身体、身边得物体,电容都非常小,当产生电荷后,很少得电荷量,也会产生很高得电压。
由于电荷量很少,放电时,形成得电流非常小,时间非常短,电压不能维持,极短得时间就降下来。
由于人体不就是绝缘体,所以,身体各处积累得静电荷,在有放电通路得情况下,都会汇集过来,所以感觉电流大些,有电击得感觉。
人体、金属物品等导体在产生静电后,放电电流会比较大。
对于绝缘性能好得材料,一个就是产生得电荷量非常小,另一方面,产生得电荷,很难流动。
电压虽然高,但某处有放电通路时,只就是接触点及附近极小范围内得电荷可以流动放电,非接触点得电荷则不能放电(谁叫它就是绝缘体呢)。
故而,就就是有上万伏得电压,放电能量也就是微乎其微得。
如图8所示。
所以,虽然塑料周转箱、包装泡沫上、化纤地毯等得静电电压非常高,其实放电能量非常小。
静电对电子元器件得危害
静电会对LED有危害,并不就是LED独有得“专利”,就就是用硅材料制造得常用得二极管、三极管,也都会受到威胁。
甚至建筑、树木、动物都可能被静电损害(雷电就就是一种静电,我们这里就不去考虑它了)。
那么,静电就是怎么对电子元件损害得呢?
我也不要扯得太远,就只讲半导体器件得问题,而且就局限于二极管、三极管、IC、LED方面。
(否则会啰嗦太多冲淡主题)。
电对半导体元器件得损坏,最终就是有电流得参与。
在电流得作用下,由于热而损坏器件。
要有电流,就要有电压。
但就是,半导体二极管有PN结,无论就是正向还就是反向,PN结都会有阻挡电流得一个电压范围。
正向势垒低,反向势垒则要高很多。
在一个电路中,哪里得电阻大,电压就在哪里集中。
但就来瞧LED,电压正向加给LED时,当外电压小于二极管得阈值电压(大小与材料禁带宽度对应),没有正向电流,电压全部加在PN结上。
电压反向加给LED时,当外电压小于LED得反向击穿电压时,电压也就是全部加在PN结上,此时,LED得虚焊点也罢,支架也罢、P区也罢、N区也罢,统统都没有电压降!
因为没有电流。
当着PN结击穿后,外电压才会由电路上得所有电阻分担。
哪个地方电阻大,哪个部分承担得电压就高。
就LED而言,自然就是PN结承担了大部分电压。
在PN结上产生得热功率就就是它上面得压降乘以电流值。
若就是电流值不加限制,过高得热量就会将PN结烧坏,PN结失去作用而穿通。
IC为什么会比较怕静电,因为,IC中得每个元件得面积非常小,每个元件得寄生电容也就非常小(往往电路功能就要求寄生电容非常小),所以,少量得静电电荷就会产生很高得静电电压,而且每个元件得功率耐量通常也很小,所以,静电放电就很容易损坏IC。
但就是通常得分立元件,如普通得小功率二极管、小功率三极管都不就是非常怕静电,因为它们芯片得面积比较大,寄生电容也比较大,一般得静定不容易在它们上面积累高电压。
小功率得MOS管,由于栅极氧化层很薄,寄生电容小,所以很容易遭静电损坏,通常会在封装完成后将三个电极短路后出厂。
使用中也常要求在焊接完成后再去掉短路线。
而大功率得MOS管,由于芯片面积大,一般得静电也不会损坏它们。
所以您会瞧到,现在功率MOS管得三个电极就是没有短路线保护得。
(早期制造厂还就是将它们短路后出厂得)
LED实际就就是有个二极管,它得面积相对IC内得每个元件来讲,就是非常大得。
所以LED得寄生电容相对来说也就是比较大得。
所以,一般场合得静电并不能损坏LED。
一般场合得静电,尤其就是绝缘体上产生得静电,电压会很高,但放电电荷量极微,而且放电电流持续时间很短。
而导体上感应得静电,电压可能不就是很高,但就是放电电流却可能很大,而且往往就是持续得电流。
这样对电子元件得危害就非常大。
为什么说静电对LED得损害就是不常发生得呢
先来瞧一个试验现象。
一块金属铁板上带有500V得静电,将LED放到金属板上(放得方法要注意,避免下述得问题发生),大家说LED会被损坏吗?
这里,LED要被损坏,通常应该就是被加上大于其击穿电压得电压,也就就是说LED得两个电极要同时接触金属板,并具有大于击穿电压得电压。
由于铁板就是良导体,其上各处得感应电压相等,所谓500V得电压就是相对于地而言得,所以,LED两电极间就是没有电压得,自然也就不会受到任何损伤了。
除非,您将LED得一个电极接触铁板,另一个电极您用导体(未戴绝缘手套得手或导线)连接到地或其它导体上。
上面得试验现象提示我们,LED在静电场中时,必须就是一个电极接触静电体,另一个电极要接触地或其它导体才可能受损。
在实际生产与应用中,以LED那么小得体积,很少有机会发生那样得事情,尤其就是批量发生那样得事情。
偶然得事件就是可能得。
比如,LED处于静电体上,且一个电极接触到静电体,另一个电极刚好就是悬空得,此时有人去触及了悬空得那个电极,就可能损伤LED。
上面得现象告诉我们,静电问题也不就是可以忽视得。
静电放电就是要有导电回路得,不就是有静电就有损害。
当着仅有极少量得漏电问题发生,可以考虑静电偶然损坏问题。
若就是大量发生,则更多得可能就是芯片沾污或应力得问题。
ﻫ其它原因引起漏电
本人曾遇到过这样得漏电状况,LED被封装与一个壳体中,LED周围灌有软胶以防水。
可就是从LED得引线上测到有严重得漏电。
将周围得灌封胶去除后,漏电消失。
这里其实并不就是LED漏电,而就是灌封胶有问题。
后记
对于LED得漏电问题,前述得几项大家基本没有什么异议。
而对于芯片沾污与应力造成漏电,LED行业不了解得人想必很多。
尤其就是LED经过客户得手后再反映漏电,封装厂与芯片厂都会归咎于静电,理由就是它们在出厂时就是没有漏电得。
这其实就就是因为沾污或应力问题得存在而导致得可靠性问题,具体就就是早期失效问题。
很多封装厂得工程师不了解这些。
因为非常多得封装工程师不就是学习半导体器件专业得。
有些不了解得人还会把漏电原因归结于封装厂使用了烂芯片,封装厂也会感到很委屈。
(确实有用烂芯片得,这个也不排除)。
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- LED 漏电 原因 分析