ESD保護設計的重要性

　　演進(jìn)曲線(xiàn)之外的威脅

　　綠光和藍光LED的商業(yè)化，再結合近年來(lái)實(shí)現的每個(gè)器件平均光輸出穩步快速的提升，固態(tài)照明開(kāi)啟了大量新的應用市場(chǎng)。HB-LED的價(jià)格和性能已經(jīng)超越類(lèi)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(gè)定律，LED的光輸出等級每2年會(huì )翻倍，平均每流明光輸出的成本每10年會(huì )降低10倍。

　　事實(shí)上，LED的光輸出如今每18個(gè)月甚至更短時(shí)間就翻倍，如今市場(chǎng)上已有光效達到120 lm/W的器件，而領(lǐng)先的實(shí)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(shí)，也面臨著(zhù)與當今先進(jìn)集成電路(IC)一樣的問(wèn)題——易因ESD遭受?chē)乐負p傷。

　　IC制造商已經(jīng)將ESD損傷確定為CMOS器件現場(chǎng)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(chǎng)接受新技術(shù)。為了應對這個(gè)問(wèn)題，業(yè)界積極努力用后續新工藝節點(diǎn)來(lái)優(yōu)化集成ESD保護架構，雖然這項工作很少(如果有的話(huà))受到媒體的關(guān)注。與之類(lèi)似，領(lǐng)先的HB-LED制造商也將ESD確定為固態(tài)照明機遇的一項顯著(zhù)威脅，并與ESD專(zhuān)業(yè)人士協(xié)作制定適合的保護措施。雖然總光輸出增加提供了最激動(dòng)人心的故事情節，但眾多有效的ESD保護措施已經(jīng)應運而生，并正被集成到知名制造商推廣的HB-LED之中。

　　易受 ESD損傷

　　將藍寶石襯底和制造綠光和藍光發(fā)射器時(shí)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(chǎn)期間加工器件時(shí)會(huì )累積大量的靜電電荷。此外，外延層比紅光LED制造過(guò)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(guò)程帶入瑕疵等效應引起的。

　　在CMOS器件中，制造期間發(fā)生的ESD操作可能在投入現場(chǎng)應用之前仍然還未被發(fā)現，使得應用現場(chǎng)可能會(huì )發(fā)生未預料到且成本高昂的故障。LED遭受ESD損傷的常見(jiàn)后果有如裸片表面出現暗點(diǎn)，這會(huì )導致LED光輸出下降，并可能使LED燈泡沒(méi)用多久就出現故障。LED制造期間的高ESD損傷率會(huì )損及量產(chǎn)良率，并實(shí)際導致良品的價(jià)格升高。由于HB-LED的長(cháng)工作壽命是固態(tài)照明相對于傳統照明的一項重要優(yōu)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(hù)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(jià)高昂，而且板級ESD保護遠不足以為L(cháng)ED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(chǎng)的青睞。ESD保護可以應用為L(cháng)ED發(fā)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(fā)射器裸片的次級貼裝(submount)或側面貼裝(sidemount)。

　　集成保護

　　業(yè)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(tài)電壓抑制器(TVS)二極管應用在與LED發(fā)射器裸片相同的封裝內，二極管可以使用線(xiàn)邦定或倒裝芯片技術(shù)來(lái)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(xiàn)框之間應用硅次級貼裝來(lái)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(guò)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(xiàn)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。

　　保護性能

　　集成ESD保護二極管陣列的最關(guān)鍵參數包括低動(dòng)態(tài)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(shù)產(chǎn)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(dòng)態(tài)阻抗。安森美半導體的次級貼裝保護器件本質(zhì)上比競爭產(chǎn)品提供更佳的動(dòng)態(tài)電阻，這在ESD等瞬態(tài)事件期間轉化為更低及更好的鉗位電壓，反過(guò)來(lái)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(tài)燈模塊都包括串聯(lián)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(lái)提供高總光輸出。用于背光應用或營(yíng)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(fā)射出的色彩 。由于每個(gè)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(cháng)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(lèi)型的貼裝，都適用多種選擇和配置：在LED串兩端并聯(lián)連接一個(gè)TVS二極管提供規定的ESD保護等級(見(jiàn)圖3a)，而在LED串兩端串聯(lián)相向連接的二極管對(圖3b)使燈制造商能夠在生產(chǎn)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(hù)。更復雜的二極管陣列為包含多顆LED的LED串中的每個(gè)LED提供并聯(lián)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(gè)別LED發(fā)生開(kāi)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(cháng)壽命周期被證實(shí)是固態(tài)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(wù)燈、電子標志和汽車(chē)剎車(chē)燈及頭燈等應用的設計人員開(kāi)啟了激動(dòng)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(yōu)的現場(chǎng)使用壽命帶來(lái)很大好處。每個(gè)原設備制造商(OEM)在封裝、工藝技術(shù)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(yōu)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。