GaN基LED等ESD敏感器件的静电防护技术
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随着电子技术的不断发展，静电防护技术不断提高，无论是在LED器件设计上，还是在生产工艺上，抗ESD能力都有明显的进步，但是，GaN基LED毕竟是ESD敏感器件，静电防护必须渗透到生产全过程。
一、引言
氮化物蓝光LED的成功研发，从根本上解决了LED三基色缺色问题，实现了全彩色显示，GaN基蓝光、绿光LED得到广泛应用。但是，GaN基LED与GaAs基LED相比，其抗静电放电（ElectroStaticDischarge桬SD）能力明显下降，GaN基LED属静电敏感器件，生产和使用过程中，如果没有良好的静电防护措施或者防护措施不当，即可能造成器件失效或者光电参数劣化。GaN基LED的静电防护技术正逐步受到产品设计者、生产者和使用者的重视，本文将对GaN基LED的静电防护作一简要的综述。
二、静电的产生
静电是由于物体接触分离后出现电荷不平衡而产生的，它存在于物体表面，是正负电荷在局部失衡时产生的一种现象，只要有接触分离就有可能产生静电，静电可以说无所不在。产生静电的途径如下：
1．摩擦:在日常生活中，任何两个不同材质的物体接触后再分离，即可产生静电，摩擦生电是产生静电的最普通方法。材料的绝缘性能越好，越容易通过摩擦产生静电。
2．感应:针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如将其置于一电场中，由于同性相斥，异性相吸，正负离子就会转移因而产生静电。电场的存在和导电材料是通过产生静电的必要条件。
3．传导:针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如与带电物体接触，将发生电荷转移而产生静电。
人体带静电的过程较为复杂。人体行走、活动时，衣服的摩擦、人体与其他物品接触分离等，均可能产生静电。静电电位U是由带电体所带电荷量Q与其对地电容C而确定的，根据Q=CU，U=Q／C，一般电荷量Q较小，但对地电容C也很小，所以静电电位U可以很高。静电电荷量Q产生的大小，与其所处环境关系密切，表一为人体几种状态的带静电情况。
控制ESD的主要困难是，它是看不见的，有时还感觉不到，但又能达到损坏电子元器件的地步。人体对静电的感度参见表二。要做好静电防护措施，必须了解静电的产生途径，以便有的放矢，静电防护从源头做起。
三、LED静电放电损伤
静电放电（ESD）引起发光二极管PN结的击穿，是LED器件封装和应用组装工业中静电危害的主要方式。静电损伤具有如下特点：
1.隐蔽性:人体不能直接感知静电，即使发生静电放电，人体也不一定能有电击的感觉，这是因为人体感知的静电放电电压为2-3KV。大多数情况都是通过测试或者实际应用，才能发现LED器件已受静电损伤。
2.潜伏性:静电放电可能造成LED突发性失效或潜在性失效。突发性失效造成LED的永久性失效：短路。潜在性失效则可使LED的性能参数劣化，例如漏电流加大，一般GaN基LED受到静电损伤后所形成的隐患并无任何方法可治愈。
3.随机性:LED什么情况下会遭受到静电破坏呢?可以这么说，从LED芯片生产后一直到它损坏以前所有的过程都受到静电的威胁，而这些静电的产生也具有随机性。但是由于芯片的尺寸极小，约0.2mmΧ0.2mm，电极之间的距离就更小，如果处在静电场中，两极之间的电势差别接近于零；电极的微小面积，局限了接触静电放电的状态。因此，芯片受到静电损伤的几率比器件要小得多。
4.复杂性:在静电放电的情况下，起放电电源是空间电荷，因而它所储存的能量是有限的，不像外加电源那样具有持续放电的能力，故它仅能提供短暂发生的局部击穿能量。虽然静电放电的能量较小,但其放电波形很复杂，控制起来也比较麻烦。另外，LED极为精细，失效分析难度大，使人容易误把静电损伤失效当作其它失效，在对静电放电损害未充分认识之前，常常归咎于早期失效或情况不明的失效，从而不自觉的掩盖了失效的真正原因。
5.严重性:ESD潜在性失效只引起部分参数劣变，如果不超过合格范围，就意味着被损伤的LED可能毫无察觉地通过最后测试，导致出现过早期失效，这对各层次的制造商来说，其结果是最损声誉的。
ESD以极高的强度很迅速地发生，放电电流流经LED的PN结时，产生的焦耳热使芯片PN两极之间局部介质熔融，造成PN结短路或漏电，对失效器件解剖分析，一般在高倍金相显微镜下，可以观察到引起即时的和不可逆转的损坏击穿点，但是受到解剖手段和器件封装材料的限制，经常因为芯片污染或机械损伤等原因，而不能确定击穿点，图一为被ESD击穿的LED芯片。反向放电时，电流较正向放电集中，功率密度大，因此LED反向放电ESD失效阈值较正向低得多。
四、LED静电放电敏感度检测
静电放电敏感度ESDS，是电子元器件的重要可靠性指标之一，它反映了电子元器件抵抗静电放电损失的能力。进行静电放电敏感度检测的目的：了解和分析元器件抗ESDS检测结果，有助于元器件的设计者和生产者，通过改进设计方案和改进生产工艺，提高元器件抗ESDS水平；了解和掌握元器件抗ESDS检测结果，以便元器件的使用者，在生产组装过程中，采取必要的静电防护措施。ESDS检测试验系破坏性试验，所有经过试验的样品应报废，不得进入生产流通出厂。
LED的ESDS检测目前没有国家标准，一般参照我国军标GJB－548A－96和Bellcore的TR－NWT－00870标准。最常用的ESDS检测，有三种标准波形：标准人体模型（HumanBodyModel-HBM）、机器模型（MM）和带电器件模型（CDM）。发光二极管LED属光电器件，应采用标准人体模型（HBM），图二为标准人体模型（HBM）检测原理图，图三为放电波形。
LED的ESDS检测方法如下：1）ESDS检测前，先采用LED光电参数测试仪或晶体管图示仪测试待检LED样品的光电参数和性能，并纪录；2）将ESDS专用测试仪设定为标准人体模型（HBM）及放电电压设定在阈值；3）采用三个正的、三个负的脉冲进行放电试验，脉冲之间至少有1秒的延迟；4）ESDS放电冲击后，再测试样品的光电参数和性能，以判定样品是否失效或参数劣化。
标准人体模型（HBM）是ESD模型中建立最早和最主要的模型之一。不同标准所规定的ESDS检测方法基本相同，只有在细节上有点差异，但是在抗ESD等级分类上差别较大。我国军标GJB－548A－96对器件抗ESD分为三个等级：1级抗静电电压为0~1999V；2级抗静电电压为2000~3999V；3级抗静电电压为4000V以上。
五、LED静电防护技术
1、一般静电防护的基本思路：
1）从元器件设计方面，把静电保护设计到LED器件内，例如大功率LED，设计者在承载GaN基LED芯片倒装的硅片上，设计静电保护二极管，这时硅片不但作为GaN的承载基体，还起到ESD保护作用，使采用这种芯片封装的器件ESDS达到几千伏。它的优点是直接提高器件抗ESD能力，简化封装生产和器件安装等过程的静电防护措施，缺点是增加成本、增大体积、芯片生产工艺复杂并且需要专业生产设备，它适用于高价值的LED器件。
2）从生产工艺方面，有两种静电防护途径，首先是消除产生静电的材料与过程，通过材料的选用，使静电产生的途径不存在了或者减少了，从源头消除了静电放电的产生与积累，是静电防护的有效的基本方法之一；其次是通过泄放或中和防止静电放电，因为产生静电的所有途径是不可能完全消除的，所以我们需要安全地泄放或中和那些要发生的静电，防止静电放电的发生。
2、人体防静电系统
人体防静电系统主要由防静电手腕带、防静电工作服、鞋袜等组成，必要时还需要辅以防静电工作帽、手套、脚套等物品。这种整体的防静电系统兼备静电泄放、中和和屏蔽的作用，防静电手腕带由静电导电材料制成，通过与皮肤直接接触，把人体静电直接导走，所以手腕带使用时必须与皮肤接触良好，使皮肤上的瞬时静电电压小于100V。防静电工作椅、桌垫、地垫、防静电工作椅的材料使用静电导电织物为面料,它们在与人的接触中不产生静电，并能将人体本身所带静电很快泄放，导入大地，起到静电防护作用。
3、防静电操作系统
防静电台垫，在进行静电敏感器件的操作时，工作台上应铺设具有静电导电和静电耗散功能的材料制成的防静电台垫。使所有与器件接触的端子、工具、仪器仪表、人体达到一致的电位，并通过接地使静电能迅速泄放。
4、静电接地技术
接地就是直接将静电通过一条导线的连接泄放到大地，这是防静电措施中最直接最有效的，多数静电防护系统的效果，都依赖于接地地线的质量，静电接地技术是静电泄放工艺中的主要环节，系统接地的质量将直接影响电荷的释放能力。地线必须是能够接受或提供大量电荷的，理想的地线应该是一个优良的导体，即电流流过地线时不产生电位降，地线上各点电位相同。在工作区的静电地线应为静电专用地线，不得与其它地线共用。防静电接地是厂房基建工程中重要的指标之一。
5、生产过程的静电防护
LED从芯片到封装应用的生产过程较复杂，就防静电而言，是一个综合治理的过程，应渗透到生产的各个环节，并根据各生产环节的工艺要求，提出不同的对策，以达到对器件的有效静电防护。对固定单个设备（如固晶机、键合台、测试设备、波峰焊设备等）的工艺要求：1）设备应良好接地；2）有必要的设备周围要铺设防静电地垫；3）操作者穿戴防静电衣、帽、腕带等；4）必要时，在静电防护关键部位设置离子风机。
6、离子风机
绝缘体往往容易产生静电，用接地的方法是不能消除绝缘体上的静电，通常利用离子作用来中和这些绝缘材料上的静电。离子风机是一种吹出离子化气流的设备，它用来中和累积在绝缘材料上的任何电荷，提供一个等电位的工作区域。
7、其他注意事项
1）进行GaN基LED测试时，除了测试仪接地外，还要了解测试仪的测试线路，特别是恒流测试的电源开路电压不能过高，以免LED受到负反馈脉冲电压的冲击而失效；
2）表一为人体几种状态的带静电情况，从中不难看出，相同条件下，湿度（空气中潮气）的上升，静电电位U降低了，即ESD的危险性降低了,但仍然存在，因此不可放松静电防护措施，应保持良好的工作习惯。
3）包装是产品出厂前的最后一个环节，包装工艺的好坏直接影响产品到达用户手中是否为合格品。包装应采用防静电屏蔽袋，它用于器件的包装、运输和储存，具有一定的防潮效果。
4）需要提醒大家注意的是，如果从事可能触及到高电压的工作，例如维修仪器设备可能触及220V市电，操作人员不应该带接地防静电手腕带或脚带等，以防止可能出现人身电击事故，因为它们提供从身体到大地的通路。
六、结语
随着电子技术的不断发展，静电防护技术不断提高，无论是在LED器件设计上，还是在生产工艺上，抗ESD能力都有明显的进步，但是，GaN基LED毕竟是ESD敏感器件，静电防护必须渗透到生产全过程。
一、引言
氮化物蓝光LED的成功研发，从根本上解决了LED三基色缺色问题，实现了全彩色显示，GaN基蓝光、绿光LED得到广泛应用。但是，GaN基LED与GaAs基LED相比，其抗静电放电（ElectroStaticDischarge桬SD）能力明显下降，GaN基LED属静电敏感器件，生产和使用过程中，如果没有良好的静电防护措施或者防护措施不当，即可能造成器件失效或者光电参数劣化。GaN基LED的静电防护技术正逐步受到产品设计者、生产者和使用者的重视，本文将对GaN基LED的静电防护作一简要的综述。
二、静电的产生
静电是由于物体接触分离后出现电荷不平衡而产生的，它存在于物体表面，是正负电荷在局部失衡时产生的一种现象，只要有接触分离就有可能产生静电，静电可以说无所不在。产生静电的途径如下：
1．摩擦:在日常生活中，任何两个不同材质的物体接触后再分离，即可产生静电，摩擦生电是产生静电的最普通方法。材料的绝缘性能越好，越容易通过摩擦产生静电。
2．感应:针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如将其置于一电场中，由于同性相斥，异性相吸，正负离子就会转移因而产生静电。电场的存在和导电材料是通过产生静电的必要条件。
3．传导:针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如与带电物体接触，将发生电荷转移而产生静电。
人体带静电的过程较为复杂。人体行走、活动时，衣服的摩擦、人体与其他物品接触分离等，均可能产生静电。静电电位U是由带电体所带电荷量Q与其对地电容C而确定的，根据Q=CU，U=Q／C，一般电荷量Q较小，但对地电容C也很小，所以静电电位U可以很高。静电电荷量Q产生的大小，与其所处环境关系密切，表一为人体几种状态的带静电情况。
控制ESD的主要困难是，它是看不见的，有时还感觉不到，但又能达到损坏电子元器件的地步。人体对静电的感度参见表二。要做好静电防护措施，必须了解静电的产生途径，以便有的放矢，静电防护从源头做起。
三、LED静电放电损伤
静电放电（ESD）引起发光二极管PN结的击穿，是LED器件封装和应用组装工业中静电危害的主要方式。静电损伤具有如下特点：
1.隐蔽性:人体不能直接感知静电，即使发生静电放电，人体也不一定能有电击的感觉，这是因为人体感知的静电放电电压为2-3KV。大多数情况都是通过测试或者实际应用，才能发现LED器件已受静电损伤。
2.潜伏性:静电放电可能造成LED突发性失效或潜在性失效。突发性失效造成LED的永久性失效：短路。潜在性失效则可使LED的性能参数劣化，例如漏电流加大，一般GaN基LED受到静电损伤后所形成的隐患并无任何方法可治愈。
3.随机性:LED什么情况下会遭受到静电破坏呢?可以这么说，从LED芯片生产后一直到它损坏以前所有的过程都受到静电的威胁，而这些静电的产生也具有随机性。但是由于芯片的尺寸极小，约0.2mmΧ0.2mm，电极之间的距离就更小，如果处在静电场中，两极之间的电势差别接近于零；电极的微小面积，局限了接触静电放电的状态。因此，芯片受到静电损伤的几率比器件要小得多。
4.复杂性:在静电放电的情况下，起放电电源是空间电荷，因而它所储存的能量是有限的，不像外加电源那样具有持续放电的能力，故它仅能提供短暂发生的局部击穿能量。虽然静电放电的能量较小,但其放电波形很复杂，控制起来也比较麻烦。另外，LED极为精细，失效分析难度大，使人容易误把静电损伤失效当作其它失效，在对静电放电损害未充分认识之前，常常归咎于早期失效或情况不明的失效，从而不自觉的掩盖了失效的真正原因。
5.严重性:ESD潜在性失效只引起部分参数劣变，如果不超过合格范围，就意味着被损伤的LED可能毫无察觉地通过最后测试，导致出现过早期失效，这对各层次的制造商来说，其结果是最损声誉的。
ESD以极高的强度很迅速地发生，放电电流流经LED的PN结时，产生的焦耳热使芯片PN两极之间局部介质熔融，造成PN结短路或漏电，对失效器件解剖分析，一般在高倍金相显微镜下，可以观察到引起即时的和不可逆转的损坏击穿点，但是受到解剖手段和器件封装材料的限制，经常因为芯片污染或机械损伤等原因，而不能确定击穿点，图一为被ESD击穿的LED芯片。反向放电时，电流较正向放电集中，功率密度大，因此LED反向放电ESD失效阈值较正向低得多。
四、LED静电放电敏感度检测
静电放电敏感度ESDS，是电子元器件的重要可靠性指标之一，它反映了电子元器件抵抗静电放电损失的能力。进行静电放电敏感度检测的目的：了解和分析元器件抗ESDS检测结果，有助于元器件的设计者和生产者，通过改进设计方案和改进生产工艺，提高元器件抗ESDS水平；了解和掌握元器件抗ESDS检测结果，以便元器件的使用者，在生产组装过程中，采取必要的静电防护措施。ESDS检测试验系破坏性试验，所有经过试验的样品应报废，不得进入生产流通出厂。
LED的ESDS检测目前没有国家标准，一般参照我国军标GJB－548A－96和Bellcore的TR－NWT－00870标准。最常用的ESDS检测，有三种标准波形：标准人体模型（HumanBodyModel-HBM）、机器模型（MM）和带电器件模型（CDM）。发光二极管LED属光电器件，应采用标准人体模型（HBM），图二为标准人体模型（HBM）检测原理图，图三为放电波形。
LED的ESDS检测方法如下：1）ESDS检测前，先采用LED光电参数测试仪或晶体管图示仪测试待检LED样品的光电参数和性能，并纪录；2）将ESDS专用测试仪设定为标准人体模型（HBM）及放电电压设定在阈值；3）采用三个正的、三个负的脉冲进行放电试验，脉冲之间至少有1秒的延迟；4）ESDS放电冲击后，再测试样品的光电参数和性能，以判定样品是否失效或参数劣化。
标准人体模型（HBM）是ESD模型中建立最早和最主要的模型之一。不同标准所规定的ESDS检测方法基本相同，只有在细节上有点差异，但是在抗ESD等级分类上差别较大。我国军标GJB－548A－96对器件抗ESD分为三个等级：1级抗静电电压为0~1999V；2级抗静电电压为2000~3999V；3级抗静电电压为4000V以上。
五、LED静电防护技术
1、一般静电防护的基本思路：
1）从元器件设计方面，把静电保护设计到LED器件内，例如大功率LED，设计者在承载GaN基LED芯片倒装的硅片上，设计静电保护二极管，这时硅片不但作为GaN的承载基体，还起到ESD保护作用，使采用这种芯片封装的器件ESDS达到几千伏。它的优点是直接提高器件抗ESD能力，简化封装生产和器件安装等过程的静电防护措施，缺点是增加成本、增大体积、芯片生产工艺复杂并且需要专业生产设备，它适用于高价值的LED器件。
2）从生产工艺方面，有两种静电防护途径，首先是消除产生静电的材料与过程，通过材料的选用，使静电产生的途径不存在了或者减少了，从源头消除了静电放电的产生与积累，是静电防护的有效的基本方法之一；其次是通过泄放或中和防止静电放电，因为产生静电的所有途径是不可能完全消除的，所以我们需要安全地泄放或中和那些要发生的静电，防止静电放电的发生。
2、人体防静电系统
人体防静电系统主要由防静电手腕带、防静电工作服、鞋袜等组成，必要时还需要辅以防静电工作帽、手套、脚套等物品。这种整体的防静电系统兼备静电泄放、中和和屏蔽的作用，防静电手腕带由静电导电材料制成，通过与皮肤直接接触，把人体静电直接导走，所以手腕带使用时必须与皮肤接触良好，使皮肤上的瞬时静电电压小于100V。防静电工作椅、桌垫、地垫、防静电工作椅的材料使用静电导电织物为面料,它们在与人的接触中不产生静电，并能将人体本身所带静电很快泄放，导入大地，起到静电防护作用。
3、防静电操作系统
防静电台垫，在进行静电敏感器件的操作时，工作台上应铺设具有静电导电和静电耗散功能的材料制成的防静电台垫。使所有与器件接触的端子、工具、仪器仪表、人体达到一致的电位，并通过接地使静电能迅速泄放。
4、静电接地技术
接地就是直接将静电通过一条导线的连接泄放到大地，这是防静电措施中最直接最有效的，多数静电防护系统的效果，都依赖于接地地线的质量，静电接地技术是静电泄放工艺中的主要环节，系统接地的质量将直接影响电荷的释放能力。地线必须是能够接受或提供大量电荷的，理想的地线应该是一个优良的导体，即电流流过地线时不产生电位降，地线上各点电位相同。在工作区的静电地线应为静电专用地线，不得与其它地线共用。防静电接地是厂房基建工程中重要的指标之一。
5、生产过程的静电防护
LED从芯片到封装应用的生产过程较复杂，就防静电而言，是一个综合治理的过程，应渗透到生产的各个环节，并根据各生产环节的工艺要求，提出不同的对策，以达到对器件的有效静电防护。对固定单个设备（如固晶机、键合台、测试设备、波峰焊设备等）的工艺要求：1）设备应良好接地；2）有必要的设备周围要铺设防静电地垫；3）操作者穿戴防静电衣、帽、腕带等；4）必要时，在静电防护关键部位设置离子风机。
6、离子风机
绝缘体往往容易产生静电，用接地的方法是不能消除绝缘体上的静电，通常利用离子作用来中和这些绝缘材料上的静电。离子风机是一种吹出离子化气流的设备，它用来中和累积在绝缘材料上的任何电荷，提供一个等电位的工作区域。
7、其他注意事项
1）进行GaN基LED测试时，除了测试仪接地外，还要了解测试仪的测试线路，特别是恒流测试的电源开路电压不能过高，以免LED受到负反馈脉冲电压的冲击而失效；
2）表一为人体几种状态的带静电情况，从中不难看出，相同条件下，湿度（空气中潮气）的上升，静电电位U降低了，即ESD的危险性降低了,但仍然存在，因此不可放松静电防护措施，应保持良好的工作习惯。
3）包装是产品出厂前的最后一个环节，包装工艺的好坏直接影响产品到达用户手中是否为合格品。包装应采用防静电屏蔽袋，它用于器件的包装、运输和储存，具有一定的防潮效果。
4）需要提醒大家注意的是，如果从事可能触及到高电压的工作，例如维修仪器设备可能触及220V市电，操作人员不应该带接地防静电手腕带或脚带等，以防止可能出现人身电击事故，因为它们提供从身体到大地的通路。
六、结语
随着电子技术的不断发展，静电防护技术不断提高，无论是在LED器件设计上，还是在生产工艺上，抗ESD能力都有明显的进步，但是，GaN基LED毕竟是ESD敏感器件，静电防护必须渗透到生产全过程。