优化HB LED使用寿命 ESD保护元件扛重任

    随着亮度和能效的提升，延长使用寿命已为促进基于高亮度发光二极体(HB LED)的固态照明设计快速发展的关键之一。然而，并非所有HB LED在这些方面皆旗鼓相当，制造商应用静电放电(ESD)保护的方式可能是影响HB LED现场使用寿命的关键因素。本文中将探讨ESD保护的重要性，阐释HB LED模组制造商藉着最先进保护技术来确保其设计将使用寿命和品质潜能提升至最优。

    演进曲线外潜藏威胁讯号

    绿光和蓝光LED的商业化，再结合近年来实现的每个元件平均光输出稳步快速的提升，为固态照明开启大量新的应用市场。HB LED的价格和性能已超越海兹定律(Haitz's Law)(类似于针对电晶体密度的摩尔定律(Moore's Law)，根据此定律，LED的光输出等级每2年会翻倍，平均每流明光输出的成本每10年会降低十倍。 

    事实上，LED的光输出现在每18个月(甚至更短时间)就翻倍，如今市场上已有发光效率达到每瓦120流明的元件，而领先的实验室甚至都演示发光效率达每瓦200流明的LED。HB LED的光输出能力和成本大幅改善的同时，也跟当今先进积体电路(IC)一样，容易因ESD而遭受严重损伤。 

    IC制造商已经将ESD损伤确定为互补式金属氧化物半导体(CMOS)元件现场可靠性的一项主要威胁，它可能损害品牌形象并妨碍市场接受新技术。为避免此情况，业界积极努力用后续新制程世代来最佳化整合ESD保护架构。同样地，领先的HB LED制造商也将ESD确定为固态照明机遇的一项显著威胁，并与ESD专家协作制定适合的保护措施。当总光输出增加提供令人兴奋的题材，众多有效的ESD保护措施也应运而生，并被知名制造商并入到已在市场销售的HB LED之中。 

    HN LED易受ESD损伤

    将蓝宝石衬底和制造绿光和蓝光发射器时使用的磊晶晶圆(Epitaxial Wafer)整合在一起，结果使得元件与红光LED相比更易受到ESD损伤。由于蓝宝石基板是纯绝缘体，生产期间加工元件时会累积大量的静电电荷。此外，磊晶层跟红光LED制造过程中使用的磊晶层相比，往往更易遭受ESD损伤，很可能就是因为制造过程带入瑕疵等效应引起的。 

    ESD将有助于延长HB LED使用寿命，加速普及。

    在CMOS元件中，制造期间发生的ESD操作可能在投入现场应用之前仍然还未被发现，使得应用现场可能会发生未预料且成本高昂的故障。LED遭受ESD损伤的常见后果有如裸片表面出现暗点，这会导致LED光输出下降，并可能使LED灯泡没用多久就出现故障。LED制造期间的高ESD损伤率会损及量产良率，并实际导致良品的价格升高。由于HB LED的长工作寿命是固态照明相对于传统照明的一项重要优势，HB LED有效的ESD保护显然必不可少。 

    如果LED模组中不含适合的保护，客户工程师可能须要在电路板和应用分立保护，这在整体物料清单(BOM)成本和印刷电路板(PCB)空间等方面可能造成不小损失，且ESD保护远不足以为LED裸片提供保护。 

    在封装中整合有效的ESD保护是一种更合意的途径，受到当今众多HB LED制造大厂的青睐。ESD保护可应用为LED发射器裸片旁边的额外裸片，或在更紧凑的布局中用作上面黏接LED发射器裸片的底面贴装(Submount)或者侧面贴装(Sidemount)。 

    藉整合ESD配置保护HB LED

    业内出现下面两种整合ESD配置。图1所示的侧面贴装配置将暂态电压抑制器(TVS)二极体应用在与LED发射器裸片相同的封装内，二极体可使用打线或覆晶技术来连接，因应具体应用要求而定。额定ESD等级因裸片尺寸不同而不同，通常介于8k～15kV人体模型(HBM)之间。 

图1 使用侧面贴装TVS二极体应用LED保护

    图2显示如何在LED和引线框间应用矽底面贴装更紧密整合ESD保护。此构造使LED尺寸更紧凑；底面贴装替代侧面贴装LED模组中使用的传统基板，提供的ESD保护等级超过15kV HBM。矽底面贴装的良好热传导性也帮助LED缓解因LED与引线框热膨胀系数不同导致的应力。 

   图2 采用矽底面贴装提供的ESD保护

    这两种途径都符合多种顶部及背部镀金制程以适应大多数制造要求，如带顶层铝涂层(AuAl, CuAl)选择、提供更高反射率的金或铜制程，以及金或金锡(AuSn)背金制程选择。 

    Rdyn/Cin为避免LED受损关键参数

    整合ESD保护二极体阵列的最关键参数包括低动态电阻(Rdyn)和低输入电容(Cin)，这样ESD保护元件就能够快速地回应ESD尖峰，并耗散大多数电流，从而避免LED裸片损伤。安森美半导体的ESD保护技术产品在底面贴装保护器中提供仅在0.2～0.4欧姆(Ω)等级的极低动态阻抗，这在ESD等暂态事件期间转化为更低及更好的钳位元电压，LED或LED串相应地受到更高水准的保护。此外，底面贴装保护器也提供浪涌保护，这在LED暴露于电源浪涌或雷电尖峰的应用中非常重要。 

    大多数固态灯模组都包括串联连接的共用封装HB LED裸片。在白光LED中，通常就采用此种方法来提供高总光输出。用于背光应用或营造特殊效果的灯中，LED阵列可能包含红光、蓝光和绿光裸片，支持混色、微调LED发射出的色彩。因每个LED都有约3.5伏特(V)的有限正向电压降，包含大量LED的模组可能要求施加高直流电压。 

    产业界的侧面贴装和底面贴装ESD保护制造制程可以调节用于6～110伏特之间的击穿电压，故适用于具有任意可行长度的LED串。顶金和底金制程提供不同的组合和成分；侧面贴装和底面贴装也具备不同的封装选择，从覆晶到顶部和底部(Top and Bottom)等，不一而足。 

    不论是哪种类型的贴装，都适用多种选择和配置：在LED串两端并联连接一个TVS二极体提供规定的ESD保护等级(见图3a)，而在LED串两端串联相向连接的二极体对(图3b)使LED灯具制造商能够在生产期间施加反向偏置测试，识别出并隔离次品模组，从而防止流向客户。更复杂的二极体阵列为包含多颗LED的LED灯串中的每个LED提供并联连接的相向二极体对，使灯模组能够持续工作，即使其中有个别LED发生开路故障。 

图3 (a)和(b)不同ESD保护配置

    ESD延长HB LED使用寿命

    HB LED除高能效和小尺寸，其预计长寿命周期被证实是固态照明巨大成功的重要诱因。多种色彩的HB LED，特别是白光以及绿、蓝和红光的HB LED，为设计人员开通康庄大道，让高效能背光灯、街灯、内部照明、任务灯、电子标志和汽车车灯及头灯等应用获得更好的发展。 

    由于不同制造商的HB LED规格大相迳庭，全面理解HB LED采用的ESD保护途径为提供最优的现场使用寿命带来很大好处。每个原始设备制造商(OEM)在封装、制程技术和材料成分方面都有一套特定的标准，故应当加以考虑。因此，为获得所需的优化性能参数，设计人员须要深入合作的供应商不应局限于提供少数不同LED保护方案，而是可提供宽广选择范围、支援作出最佳匹配的供应商。 (本文作者为安森美半导体保护产品分部高级产品行销经理)