ESD保护元件优化高亮LED使用

　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。 图片来源：安森美

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。