优化高亮度LED使用寿命的ESD保护设计
中心议题：
- ESD保护的重要性
- 如何对HB-LED进行ESD保护
解决方案：
- 瞬态电压抑制器二极管集成保护
- 硅次级贴装集成ESD保护
随着亮度和能效的提升，延长使用寿命已经为促进基于高亮度发光二极管(HB-LED)的固态照明设计快速发展的主要因素之一。然而，并非所有HB-LED在这些方面都旗鼓相当，制造商应用静电放电(ESD)保护的方式可能是影响HB-LED现场使用寿命的一个至关键的因素。安森美半导体的Vidya Premkumar将在本文中探讨ESD保护的重要性，阐释HB-LED模块制造商藉着最先进保护技术来确保其设计将使用寿命和质量潜能提升至最优。
引言：演进曲线之外的威胁
绿光和蓝光LED的商业化，再结合近年来实现的每个器件平均光输出稳步快速的提升，为固态照明开启了大量新的应用市场。HB-LED的价格和性能已经超越海兹定律(Haitz’s Law)（类似于针对晶体管密度的摩尔定律）；根据这个定律，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10倍。
事实上，LED的光输出现在每18个月（甚至更短时间）就翻倍，如今市场上已有光效达到120 lm/W的器件，而领先的实验室甚至都演示了光效达200 lm/W的LED。HB-LED的光输出能力和成本大幅改善的同时，也跟当今先进集成电路(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CMOS器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。为了避免这个情况，业界积极努力用后续新工艺节点来优化集成ESD保护架构，虽然这项工作很少(如果有的话)受到媒体的关注。同样地，领先的HB-LED制造商也将ESD确定为固态照明的一项显著威胁，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了令人兴奋的题材，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。
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外延集成在一起，结果使得器件与红光LED等相比更易受到ESD损伤。由于蓝宝石衬底是纯绝缘体，生产期间加工器件时会累积大量的静电电荷。此外，外延层跟红光LED制造过程中使用的外延层相比，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。
在CMOS器件中，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到且成本高昂的故障。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模块中不含适合的保护，客户工程师可能需要在电路板级应用分立保护，这在物料单(BOM)成本和印制电路板(PCB)空间等方面可能造成损失，而且板级ESD保护远不足以为LED裸片提供保护。在封装中集成有效的ESD保护是一种更合意的途径，受到了当今众多HB-LED制造大厂的青睐。ESD保护可以应用为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粘接LED发射器裸片的次级贴装(submount)或侧面贴装(sidemount)。
集成保护
业内出现了下面两种集成ESD配置。图1所示的侧面贴装配置将瞬态电压抑制器(TVS)二极管应用在与LED发射器裸片相同的封装内，二极管可以使用线绑定或倒装芯片技术来连接，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8 kV至15 kV人体模型(HBM)之间。
图2显示了如何在LED和引线框之间应用硅次级贴装来更紧密地集成ESD保护。这种构造使LED外形尺寸更紧凑；次级贴装替代侧面贴装LED模块中使用的传统衬底，提供的ESD保护等级超过15 kV HBM。硅次级贴装的良好热传导性也帮助LED缓解由于LED与引线框热膨胀系数不同导致的应力。
这两种途径都符合多种顶部及背部镀金工艺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工艺，以及金或金锡(AuSn)背金工艺选择。
保护性能
集成ESD保护二极管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保护器件就能够快速地响应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保护技术产品在次级贴装保护器中提供仅在0.2至0.4 Ω等级的极低动态阻抗。安森美半导体的次级贴装保护器件本质上比竞争产品提供更佳的动态电阻，这在ESD等瞬态事件期间转化为更低及更好的钳位电压，LED或LED串相应地受到更高水平的保护。此外，次级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。
大多数固态灯模块都包括串联连接的共用封装HB-LED裸片。在白光LED(WLED)光源中，通常就采用这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 。由于每个LED都有3.5 V左右的有限正向压降，包含大量LED的模块可能要求施加高直流电压。安森美半导体的侧面贴装和次级贴装ESD保护制造工艺可以调节用于6 V至110 V之间的击穿电压，故适用于具有任意可行长度的LED串。顶金和底金工艺提供不同的组合和成分；侧面贴装和次级贴装也具备不同的封装选择，从倒装芯片到顶部和底部(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二极管提供规定的ESD保护等级(见图3a)，而在LED串两端串联相向连接的二极管对(图3b)使灯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块，从而防止流向客户。更复杂的二极管阵列为包含多颗LED的LED串中的每个LED提供并联连接的相向二极管对，使灯模块能够持续工作 –––– 即使其中有个别LED发生开路故障。
总结
HB-LED除了高能效和小尺寸，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，为设计人员开通了康庄大道，更好的发展高能效背光灯、街灯、内部照明、任务灯、电子标志和汽车刹车灯及头灯等应用。由于不同制造商的HB-LED规格可能有很大不同，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。每个原设备制造商(OEM)在封装、工艺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，为了获得所需的优化性能参数，设计人员需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，而是可以提供宽广选择范围、支持作出最佳匹配的供应商。
