LED芯片漏電的九大“真相”
發布時間:2014-11-11 責任編輯:echolady
【導讀】相信大多數人都遇到過LED漏電問題,二漏電的時機卻各有不同。有的漏電原因是LED封裝完成後測試時產生的,有的是長時間放置產生的,有的是老化之後產生的,有的是在焊接後產生的。下麵給大家總結一下LED的漏電原因。
LED漏電的原因
在導讀部分,羅列了一些人給出的造成LED漏電的原因。根據本人多年處理LED問題及使用LED的經驗,本人認為,在目前,最可能導致LED發生漏電的主要原因排序應該如下:
(1)芯片受到沾汙 (——最主要、高發問題)
(2)銀膠過高
(3)打線偏焊
(4)應力
(5)使用不當
(6)晶片本身漏電
(7)工藝不當,使得芯片開裂
(8)靜電
(9)其它原因
1. 芯片受到沾汙引起漏電
LED芯片是非常小的,灰塵等易對它產生遮蔽作用,最重要的是灰塵、水汽、各種雜質離子會附著與芯片表麵,不僅會在表麵對芯片內部產生作用,還會擴散進入芯片內部產生作用。比如,銅離子、鈉(na)離(li)子(zi)都(dou)很(hen)容(rong)易(yi)擴(kuo)散(san)進(jin)入(ru)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)中(zhong),非(fei)常(chang)微(wei)小(xiao)的(de)數(shu)量(liang)就(jiu)可(ke)以(yi)使(shi)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)的(de)性(xing)能(neng)嚴(yan)重(zhong)惡(e)化(hua)。對(dui)於(yu)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)的(de)製(zhi)造(zao),通(tong)常(chang)都(dou)要(yao)求(qiu)有(you)淨(jing)化(hua)等(deng)級(ji)非(fei)常(chang)高(gao)的(de)潔(jie)淨(jing)廠(chang)房(fang)。可(ke)以(yi)考(kao)察(cha)一(yi)下(xia)LED封裝廠,上千家之中有幾家的廠房能有什麼樣的潔淨等級?絕大多數都是能與大氣直接相通的房間,根本談不上淨化。雖然有人會說,“我們的廠房沒有灰塵,很潔淨”,可是,潔淨程度不是用眼睛來看的!yanjingshigenbenkanbudaoxinpianshengchanhefengzhuangyaoqiudejiejingchengdude,bixushiyongzhuanmendeyiqilaijiance。bujinjinyaoqiuchangfangyaodadaoyaoqiudejiejingdu,duishejidaoxinpianluoludegongxu,gongzuorenyuanyaochuanjinghuagongzuofu,daigongzuomao,daikouzhao,gongzuorenyuanbuxutuhuazhuangpindeng。zhexiegeyankeshengchantiaojian,muqianduiLED封裝廠來講,不是想不到,就是不願做。不願做的原因非常簡單,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淨程度,那麼,LED的質量問題就來了。
早期的LEDxinpianyijixianzaihenduochangjiadexinpian,doumeiyouzaixinpiandecemianzuobaohuceng。xianzaiguowaiyixiexinpianchangshangyijingkaishizaixinpiandecemianzuobaohucengle。danshi,xianzaidebaohucengyibanshicaiyongeryanghuaguicailiao,erqiehouduhenbo,baohunenglishiyouxiande。zaijiejingduhenchadefengzhuangchang,rengranhuiyouyuzhanwuzaochengloudianxianxiang。
1.1 芯片側麵沒有做鈍化
很多芯片由於各種因素,沒有對芯片的側麵做鈍化保護,使得芯片劃片後,PN結在側麵裸露於空氣中。如圖1所示。




為什麼這樣的狀況就會造成漏電呢?下麵就要從微觀結構上來講講了。
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這種表麵沾汙造成的漏電及短期失效問題,早已被半導體元器件製造行業認識,並通過製作保護層來加以解決。
1.2 芯片側麵有保護層
現在有些LED芯片廠在芯片側麵也做上了二氧化矽保護層。但是,即使是PNjieduanmianshangyoueryanghuaguibaohuceng,youyuzhizaofangmiandeyuanyin,zaieryanghuaguizhongkenenghuiyoukeyidongdelizicunzai。zaifengzhuangchangdebujiejinghuanjingzhong,haihuishoudaozhanwu。suoyi,meiyoulianghaodeeryanghuaguishengchangongyi,meiyoudadaojiejingdengjidefengzhuangchangfang,LED封裝後出現漏電的幾率仍然是很高的。
二氧化矽層中的可移動離子移動到半導體材料表麵,可能使P型材料表麵產生耗盡層,嚴重的發生反型,從而發生漏電。
在(zai)通(tong)常(chang)的(de)矽(gui)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)製(zhi)造(zao)中(zhong),為(wei)了(le)解(jie)決(jue)二(er)氧(yang)化(hua)矽(gui)的(de)問(wen)題(ti),一(yi)般(ban)會(hui)在(zai)芯(xin)片(pian)功(gong)能(neng)製(zhi)造(zao)完(wan)畢(bi)後(hou),再(zai)增(zeng)加(jia)一(yi)層(ceng)鈍(dun)化(hua)層(ceng)。現(xian)在(zai)常(chang)用(yong)的(de)是(shi)氮(dan)化(hua)矽(gui)材(cai)料(liao)。這(zhe)樣(yang)會(hui)大(da)大(da)提(ti)高(gao)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)【5】【6】。這些不是本文討論的內容,提及它隻是提醒大家,在LED中,雖然有二氧化矽保護層,但後期不注意保潔,還是會有漏電問題的。
對於二氧化矽中含可移動離子及沾汙對漏電的更詳細的分析,讀者可以參考有關半導體的資料,如半導體物理、晶體管原理、半導體器件製造工藝等書籍。
1.3 沾汙漏電的表現
晶體管的漏電,可能是PN結製造不良產生,也可能是沾汙造成。通常,PN結不良或受損產生漏電是不可恢複的,具有正、反向漏電狀況基本相同的特征,而且常表現為完全穿通。沾汙造成的漏電,觀察其伏安特性,通常有多種表現,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;嚴重的也會表現出正、反向都是穿通的狀況等。沾汙漏電還表現出不穩定性,某些狀況下,漏電狀況還會暫時恢複正常,即暫時不漏電。
下麵通過一些實例來看看沾汙對LED帶來的漏電表現。
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,在反向電壓小於某個值時,可以看到有很大的漏電,圖7(b)中的反向電壓為10V。當著反向電壓繼續增大時,漏電突然消失,呈現不漏電的狀況。圖7(c)中漏電消失時的發現電壓約大於10V。此時再測試正向伏安特性,可以看到,漏電完全消失,LED恢複正常。見圖7(d)。但是,這種恢複正常是暫時的,放置一段時間後,LED又會出現漏電。測試時,還會重複上述過程。

這種反向電壓擊正常的現象,分析為外加電場使得沾汙離子的再分布,使其遠離PN結端麵區域。因而使得PN結端麵恢複正常。但是放置一段時間,由於溫度的變化,或在正向電壓作用下,沾汙離子又會遷移到PN結端麵附近,重新造成漏電。
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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。
zaicishilizhongkeyikandao,zaishijiafanxiangdianyashi,suizhedianyadeshenggao,fanxiangdianliuhudahuxiao,jifashengrubianxianxiang。dangzhefanxiangdianyagaodaomougezhishi,loudianliuxiaoshile。zaicezhengxiangtexing,keyikandaoshizhengchangde,meiyouloudianliule。buguo,zhezhonghuifuzhengchangyeshizanshide,fangzhiyiduanshijianhouyouhuihuifuloudianzhuangkuang。
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。
benliyushiliyibutongdeshi,zaijiaogaofanyaxiayemeinengshiloudianxiaoshi,bingqiefanxiangloudianfeichangda。danshizaizhengxiangshi,loudianbingmeiyoufanxiangdeda,zaizhengxiangdaotonghou,loudianzhuangkuangfandaoxiaoshile。
實例四、反向漏電不是很大,正向電壓小於VF時漏電很大,到VF之後漏電變到很小。 讀者可以先看一下附件3的實測視頻——沾汙漏電。
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。 讀者可以看一下附件4的實測視頻――LED非擊穿漏電。
實例六、LED產品嚴重漏電,類似穿通。解剖出芯片後,芯片正常,沒有漏電。
1.4 沾汙漏電的判定
沾汙漏電和PN結(jie)或(huo)體(ti)材(cai)料(liao)受(shou)損(sun)漏(lou)電(dian)的(de)區(qu)分(fen),有(you)些(xie)狀(zhuang)況(kuang)很(hen)難(nan)直(zhi)接(jie)判(pan)定(ding),需(xu)要(yao)解(jie)剖(pou)取(qu)出(chu)芯(xin)片(pian)來(lai)觀(guan)察(cha)分(fen)析(xi)。但(dan)是(shi),有(you)些(xie)現(xian)象(xiang)確(que)實(shi)可(ke)以(yi)區(qu)分(fen)的(de)。比(bi)如(ru)上(shang)麵(mian)的(de)六(liu)個(ge)實(shi)例(li)中(zhong)都(dou)是(shi)沾(zhan)汙(wu)造(zao)成(cheng)的(de)漏(lou)電(dian)。
2. 銀膠過高造成漏電
這個問題在LED封裝業中已是常識性的、看得見的問題了,無需我多囉嗦了。
3. 打線偏焊造成漏電
這個問題在LED封裝業中也是常識性的、看得見的問題了,也無需我多囉嗦了。
4. 應力造成漏電
yingli,wangwangshikanbujiande,ruoduicailiaodeyixiejibenxingzhibulejie,zebutaihaolijiezhegewenti。qishi,yinglixiangduiyurichangkejiandebirutuitujituitunayangdadelixiangbi,tashihennankandejiandezuoyonglieryi。tawangwangshiyouyucailiaoderezhanglengsuoerchansheng。yinglideyingxiangwangwangshizailiangzhongcailiaodejiechufangmian。yinglizuoyongkeyishizhijieyali,yekeyishiyucailiaojiechumianpingxingdehengxiangjianqieli。juyigejiandandelizi,zailianggentieguizhijianshiyouyiduanjianxide,ruguojiangzhegejianxiliudehenxiao,dangwendushenggaoshi,liangduantieguideduanmianjiuhuijiechu,shenzhijiyabianxing。zhejiushiyinglizuoyong。dangliangzhongbutongdecailiaozhanjiejiechushi,dangwendufashengbianhua,ruoliangzhongcailiaoderepengzhangxishubutong,zaijiechumianyouyuyanshenhuoshousuochidubutong,xianghujianchanshenglali,zhejiushihengxiangdejianqieyingli。
在LED中zhong,有you不bu同tong的de材cai料liao,熱re膨peng脹zhang係xi數shu是shi不bu同tong的de。在zai溫wen度du反fan複fu變bian化hua的de過guo程cheng中zhong,各ge物wu質zhi不bu可ke能neng回hui複fu到dao它ta們men最zui初chu接jie觸chu時shi的de狀zhuang態tai,相xiang互hu間jian會hui保bao持chi有you一yi定ding的de應ying力li。但dan不bu一yi定ding會hui有you害hai。隻zhi有you當dang膨peng脹zhang係xi數shu相xiang差cha太tai大da、工藝條件不合適時,就可能留下很大的應力。這個應力嚴重的會壓壞芯片,使芯片破損,造成漏電、部分區域裂開而不亮,嚴重的徹底開路不亮。應力不是很大時,有時也會產生嚴重的後果。
原本在LED的側麵就存在著懸掛鍵,應力的作用,使得表麵原子發生微位移,這些懸掛鍵的電場更加處於一種不平衡狀態,從而造成端麵PN結處的能級狀態發生改變,造成漏電。
5. 使用不當造成漏電
這種狀況一般較少發生。當較高的反向電壓加給LED,可能損壞PN結,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生。除非芯片的次品出廠。
一般來講,芯片在製造廠是不容易受到沾汙的。但是,在芯片的後續分選、包裝時,是有可能發生沾汙的。本人看到過某芯片廠的後續分選、包裝車間環境就是沒有淨化等級的普通廠房。
7. 工藝不當,使得芯片開裂
芯片底部膠體不均勻,或焊盤下麵有空洞,打線時可能損傷芯片產生漏電或失效。 焊線機調整不當,打傷芯片,產生漏電或失效。
8. 靜電問題
在LED行業,似乎將靜電當成了損壞LED的頭號大敵。但本人卻不這麼認為。相反,將它當成次要問題。
對於靜電對LED的損壞問題,本人在一些論壇裏有談過【7】。現在將那些內容搬過來,並加以補充,以便大家閱讀與了解。
8.1 靜電的產生機理
通常,靜電的產生是由於摩擦或感應而產生。
mocajingdianshiyouyulianggewutijiechumocahuofenliguochengzhongchanshengdianhedeyidongerchansheng。daotijiandemocaliuxiadejingdiantongchangbijiaoruo,zheshiyouyudaotidedaodiannengliqiang,mocachanshengdelizihuizaimocaguochengzhongjizhongzhishihenkuaiyundongdaoyiqierzhonghe。erjueyuantimocahou,kenenghuichanshengjiaogaodejingdiandianya,danshidianheliangquehenxiao。zheshiyouyujueyuantibenshendewulijiegoujuedingde。jueyuantidefenzijiegouzhong,dianzihennantuoliyuanzihedeshufuziyouyidong,suoyi,mocajieguoyezhinengchanshengshaoliangdefenzihuoyuanzidianli。
感(gan)應(ying)靜(jing)電(dian)是(shi)物(wu)體(ti)處(chu)於(yu)電(dian)場(chang)之(zhi)中(zhong),受(shou)電(dian)磁(ci)場(chang)的(de)作(zuo)用(yong),物(wu)體(ti)中(zhong)的(de)電(dian)子(zi)發(fa)生(sheng)移(yi)動(dong)而(er)形(xing)成(cheng)電(dian)場(chang)。感(gan)應(ying)靜(jing)電(dian)一(yi)般(ban)隻(zhi)能(neng)在(zai)導(dao)體(ti)上(shang)產(chan)生(sheng)。空(kong)間(jian)電(dian)磁(ci)場(chang)對(dui)絕(jue)緣(yuan)體(ti)的(de)作(zuo)用(yong)可(ke)以(yi)忽(hu)略(lve)。
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
根據這個公式可以知道,當電容量很小時,很少的電荷量,就會產生很高的電壓。
通常我們的身體、身邊的物體,電容都非常小,當產生電荷後,很少的電荷量,也會產生很高的電壓。
youyudianhelianghenshao,fangdianshi,xingchengdedianliufeichangxiao,shijianfeichangduan,dianyabunengweichi,jiduandeshijianjiujiangxialai。youyurentibushijueyuanti,suoyi,shentigechujileidejingdianhe,zaiyoufangdiantongludeqingkuangxia,douhuihuijiguolai,suoyiganjiaodianliudaxie,youdianjideganjiao。renti、金屬物品等導體在產生靜電後,放電電流會比較大。
對dui於yu絕jue緣yuan性xing能neng好hao的de材cai料liao,一yi個ge是shi產chan生sheng的de電dian荷he量liang非fei常chang小xiao,另ling一yi方fang麵mian,產chan生sheng的de電dian荷he,很hen難nan流liu動dong。電dian壓ya雖sui然ran高gao,但dan某mou處chu有you放fang電dian通tong路lu時shi,隻zhi是shi接jie觸chu點dian及ji附fu近jin極ji小xiao範fan圍wei內nei的de電dian荷he可ke以yi流liu動dong放fang電dian,非fei接jie觸chu點dian的de電dian荷he則ze不bu能neng放fang電dian(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。

8.3 靜電對電子元器件的危害
靜電會對LED有危害,並不是LED獨有的“專利”,就是用矽材料製造的常用的二極管、三極管,也都會受到威脅。甚至建築、樹木、動物都可能被靜電損害(雷電就是一種靜電,我們這裏就不去考慮它了)。
那麼,靜電是怎麼對電子元件損害的呢?我也不要扯得太遠,就隻講半導體器件的問題,而且就局限於二極管、三極管、IC、LED方麵。
電dian對dui半ban導dao體ti元yuan器qi件jian的de損sun壞huai,最zui終zhong是shi有you電dian流liu的de參can與yu。在zai電dian流liu的de作zuo用yong下xia,由you於yu熱re而er損sun壞huai器qi件jian。要yao有you電dian流liu,就jiu要yao有you電dian壓ya。但dan是shi,半ban導dao體ti二er極ji管guan有youPN結,無論是正向還是反向,PN結都會有阻擋電流的一個電壓範圍。正向勢壘低,反向勢壘則要高很多。在一個電路中,哪裏的電阻大,電壓就在哪裏集中。但就來看LED,電壓正向加給LED時,當外電壓小於二極管的閾值電壓(大小與材料禁帶寬度對應),沒有正向電流,電壓全部加在PN結上。電壓反向加給LED時,當外電壓小於LED的反向擊穿電壓時,電壓也是全部加在PN結上,此時,LED的虛焊點也罷,支架也罷、P區也罷、N區也罷,統統都沒有電壓降!因為沒有電流。當著PN結擊穿後,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結承擔了大部分電壓。在PN結上產生的熱功率就是它上麵的壓降乘以電流值。若是電流值不加限製,過高的熱量就會將PN結燒壞,PN結失去作用而穿通。
IC為什麼會比較怕靜電,因為,IC中的每個元件的麵積非常小,每個元件的寄生電容也就非常小(往往電路功能就要求寄生電容非常小),所以,少量的靜電電荷就會產生很高的靜電電壓,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、xiaogonglvsanjiguandoubushifeichangpajingdian,yinweitamenxinpiandemianjibijiaoda,jishengdianrongyebijiaoda,yibandejingdingburongyizaitamenshangmianjileigaodianya。xiaogonglvdeMOS管guan,由you於yu柵zha極ji氧yang化hua層ceng很hen薄bo,寄ji生sheng電dian容rong小xiao,所suo以yi很hen容rong易yi遭zao靜jing電dian損sun壞huai,通tong常chang會hui在zai封feng裝zhuang完wan成cheng後hou將jiang三san個ge電dian極ji短duan路lu後hou出chu廠chang。使shi用yong中zhong也ye常chang要yao求qiu在zai焊han接jie完wan成cheng後hou再zai去qu掉diao短duan路lu線xian。而er大da功gong率lv的deMOS管,由於芯片麵積大,一般的靜電也不會損壞它們。所以你會看到,現在功率MOS管的三個電極是沒有短路線保護的。(早期製造廠還是將它們短路後出廠的)
LED實際就是有個二極管,它的麵積相對IC內的每個元件來講,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,一般場合的靜電並不能損壞LED。
yibanchanghedejingdian,youqishijueyuantishangchanshengdejingdian,dianyahuihengao,danfangdiandianheliangjiwei,erqiefangdiandianliuchixushijianhenduan。erdaotishangganyingdejingdian,dianyakenengbushihengao,danshifangdiandianliuquekenenghenda,erqiewangwangshichixudedianliu。zheyangduidianziyuanjiandeweihaijiufeichangda。
8.4 為什麼說靜電對LED的損害是不常發生的呢
先來看一個試驗現象。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,避免下述的問題發生),大家說LED會被損壞嗎?這裏,LED要被損壞,通常應該是被加上大於其擊穿電壓的電壓,也就是說LED的兩個電極要同時接觸金屬板,並具有大於擊穿電壓的電壓。由於鐵板是良導體,其上各處的感應電壓相等,所謂500V的電壓是相對於地而言的,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,另一個電極你用導體(未戴絕緣手套的手或導線)連接到地或其它導體上。
上麵的試驗現象提示我們,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體才可能受損。在實際生產和應用中,以LED那麼小的體積,很少有機會發生那樣的事情,尤其是批量發生那樣的事情。偶然的事件是可能的。比如,LED處於靜電體上,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。
上麵的現象告訴我們,靜電問題也不是可以忽視的。 靜電放電是要有導電回路的,不是有靜電就有損害。
上shang麵mian的de現xian象xiang還hai提ti示shi我wo們men,當dang著zhe僅jin有you極ji少shao量liang的de漏lou電dian問wen題ti發fa生sheng,可ke以yi考kao慮lv靜jing電dian偶ou然ran損sun壞huai問wen題ti。若ruo是shi大da量liang發fa生sheng,則ze更geng多duo的de可ke能neng是shi芯xin片pian沾zhan汙wu或huo應ying力li的de問wen題ti。
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後,漏電消失。這裏其實並不是LED漏電,而是灌封膠有問題。
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