LED芯片漏電原因深度解析 - 全文

　　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：

　?。?）芯片受到沾污 （——最主要、高發(fā)問題）

　　（2）銀膠過高

　?。?）打線偏焊

　　（4）應(yīng)力

　?。?）使用不當

　?。?）晶片本身漏電

　?。?）工藝不當，使得芯片開裂

　?。?）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)乃至專家的認識。為什么把靜電問題排在了最后，后面再談詳細原因。

　　對LED漏電原因的分析：?

????? 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(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?？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(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(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)面做保護層?，F(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。

　　下面我們來做分析。

　　1.1 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，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【3】【4】。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)認識，并通過制作保護層來加以解決。

　　1.2 芯片側(cè)面有保護層

　　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層。但是，即使是PN結(jié)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(chǎn)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(dǎo)體材料表面，可能使P型材料表面產(chǎn)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(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【5】【6】。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(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。

　　1.3 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(fù)正常。見圖7（d）。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?，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(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。

　　1.5 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)?！皟艋瘡S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。

　　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(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。當兩種不同的材料粘結(jié)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(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(yīng)力不是很大時，有時也會產(chǎn)生嚴重的后果。

　　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。

　　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(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(chǎn)生漏電或失效。 焊線機調(diào)整不當，打傷芯片，產(chǎn)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】。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。

　　8.1 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?？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(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。

　　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(dǎo)體器件的問題，而且就局限于二極管、三極管、IC、LED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。當著PN結(jié)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(jié)承擔了大部分電壓。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?。ㄍ娐饭δ芫鸵蠹纳娙莘浅Ｐ。?，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。

　　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(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。

　　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(yīng)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。可是從LED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。

　　后記

　　對于LED的漏電問題，大部分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習半導(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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