LED晶片漏電原因深度解析

　　LED漏電的問題，有很多人都遇到過。有的是在生產檢測時就發現，有的是在客戶使用時發現。漏電出現的時機也各有不同。有些是在LED封裝完成後的測試時就有;有些是在倉庫放置一段時間後出現;有些是在老化一段時間後出現;有些是在客戶焊接後出現;有些是在客戶使用一段時間後出現。而對漏電問題的具體發生原因，一直困擾著封裝廠的工程師。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/368157.htm

　　LED漏電的原因

　　在引言部分，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）晶片受到沾汙 （——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，使得晶片開裂

　　（8）靜電

　　（9）其它原因

　　本人將靜電問題幾乎排到了最後，幾乎顛覆了行業乃至專家的認識。為什麼把靜電問題排在了最後，後面再談詳細原因。

　　對LED漏電原因的分析：

1. 晶片受到沾汙引起漏電

　　LED晶片是非常小的，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晶片表面，不僅會在表面對晶片內部產生作用，還會擴散進入晶片內部產生作用。比如，銅離子、鈉離子都很容易擴散進入半導體材料中，非常微小的數量就可以使半導體器件的性能嚴重惡化。對於半導體器件的製造，通常都要求有淨化等級非常高的潔淨廠房。可以考察一下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！眼睛是根本看不到晶片生產和封裝要求的潔淨程度的，必須是用專門的儀器來檢測。不僅僅要求廠房要達到要求的潔淨度，對涉及到晶片裸露的工序，工作人員要穿淨化工作服，戴工作帽，戴口罩，工作人員不許塗化妝品等。這些個嚴苛生產條件，目前對LED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LED晶片以及現在很多廠家的晶片，都沒有在晶片的側面做保護層。現在國外一些晶片廠商已經開始在晶片的側面做保護層了。但是，現在的保護層一般是採用二氧化矽材料，而且厚度很薄，保護能力是有限的。在潔淨度很差的封裝廠，仍然會由於沾汙造成漏電現象。

　　下面我們來做分析。

　　1.1 晶片側面沒有做鈍化

　　很多晶片由於各種因素，沒有對晶片的側面做鈍化保護，使得晶片劃片後，PN結在側面裸露於空氣中。如圖1所示。

　　

　　以前未作側面鈍化的圓片，劃片方法見圖2和圖3.從圖4對實際晶片包裝的照片上就可以證明晶片側面是不做鈍化的。因為從照片上可以看到，晶片側面極不規整。為什麼這樣晶片還可以出廠呢？因為，在晶片廠裡，側面即使沒有保護層，由於廠房的潔淨度高，加之裸露時間不長，側面還沒有受到沾汙，所以測量是沒有漏電的，就將它們出廠了。

　　

　　

　　為什麼這樣的狀況就會造成漏電呢？下面就要從微觀結構上來講講了。

　　圖5是一個晶體表面處的微觀結構示意圖。表面處原子外層電子數不飽和，存在懸掛鍵。這些懸掛鍵形成表面態能級，引起漏電【3】【4】。而且，這些懸掛鍵非常有活性，很容易吸附其它分子、原子和離子。所吸附的雜質發生電離，直接就形成了電流通道。這個電流通道相當於給PN結並聯了一個電阻。

　　

　　這種表面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 晶片側面有保護層

　　現在有些LED晶片廠在晶片側面也做上了二氧化矽保護層。但是，即使是PN結端面上有二氧化矽保護層，由於製造方面的原因，在二氧化矽中可能會有可移動的離子存在。在封裝廠的不潔淨環境中，還會收到沾汙。所以，沒有良好的二氧化矽生產工藝，沒有達到潔淨等級的封裝廠房，LED封裝後出現漏電的機率仍然是很高的。

　　二氧化矽層中的可移動離子移動到半導體材料表面，可能使P型材料表面產生耗盡層，嚴重的發生反型，從而發生漏電。

　　在通常的矽半導體器件製造中，為了解決二氧化矽的問題，一般會在晶片功能製造完畢後，再增加一層鈍化層。現在常用的是氮化矽材料。這樣會大大提高半導體器件的穩定性和可靠性【5】【6】。這些不是本文討論的內容，提及它只是提醒大家，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、電晶體原理、半導體器件製造工藝等書籍。

　　1.3 沾汙漏電的表現

　　電晶體的漏電，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復的，具有正、反向漏電狀況基本相同的特徵，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復正常，即暫時不漏電。

　　下面通過一些實例來看看沾汙對LED帶來的漏電錶現。

　　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恢復正常。見圖7（d）。但是，這種恢復正常是暫時的，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。

　　

　　從正、反向的漏電曲線看，它們的漏電程度是不同的。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結端面區域。因而使得PN結端面恢復正常。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結端面附近，重新造成漏電。

　　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。在此示例中可以看到，在施加反向電壓時，隨著電壓的升高，反向電流忽大忽小，即發生蠕變現象。當著反向電壓高到某個值時，漏電流消失了。再測正向特性，可以看到是正常的，沒有漏電流了。不過，這種恢復正常也是暫時的，放置一段時間後又會恢復漏電狀況。

　　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。本例與實例一不同的是，在較高反壓下也沒能使漏電消失，並且反向漏電非常大。但是在正向時，漏電並沒有反向的大，在正嚮導通後，漏電狀況反倒消失了。

　　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LED非擊穿漏電。

　　實例六、LED產品嚴重漏電，類似穿通。解剖出晶片後，晶片正常，沒有漏電。

　　1.4 沾汙漏電的判定

　　沾汙漏電和PN結或體材料受損漏電的區分，有些狀況很難直接判定，需要解剖取出晶片來觀察分析。但是，有些現象確實可以區分的。比如上面的六個實例中都是沾汙造成的漏電。

　　1.5 本節小結

　　沾汙漏電，PN結沒有損傷，它是由於沾汙離子直接或間接參與導電形成的。這種狀況在半導體製造行業中是一個常識性的問題，已經有很多表面鈍化方法可以很好地解決。LED行業雖然也是屬於半導體行業，但是就LED封裝行業來看，由於技術門檻低，使得這個行業中有半導體專業知識的人員非常少。結果一個很普通的、常識性的問題，在LED行業中成了一個難以克服的問題。之所以難以克服，就是因為沒有找到問題的癥結。而是一味聽信於一些「專家」對靜電問題的誇大宣傳。結果是花費了大量資金和精力於防靜電上。防靜電措施做得非常好了，可是漏電現象依然發生。

　　在前面已經提到了，絕大多數的封裝廠的生產環境非常差，沒有淨化廠房，LED漏電現象是在所難免的。所以有些人會說到，入庫產品每隔幾天拿出來測試就會發現有漏電的產品出現。「淨化廠房」可不是指用拖布拖得乾乾淨淨的、底板非常亮的就是淨化廠房。在LED的固晶、焊線、封膠等工序中，由於晶片會裸露於空氣中，所以必須要有達到一定等級的淨化程度。淨化等級是要用儀器來測量確定的，絕不是用眼睛能看到的。

　　靜電的狀況是隨機的，雖然它似乎無處不在，但它絕不是處處都能夠釋放足夠的能量造成破壞。

　　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

　　應力，往往是看不見的，若對材料的一些基本性質不了解，則不太好理解這個問題。其實，應力相對於日常可見的比如推土機推土那樣大的力相比，它是很難看得見的作用力而已。它往往是由於材料的熱脹冷縮而產生。應力的影響往往是在兩種材料的接觸方面。應力作用可以是直接壓力，也可以是與材料接觸面平行的橫向剪切力。舉一個簡單的例子，在兩根鐵軌之間是有一段間隙的，如果將這個間隙留的很小，當溫度升高時，兩段鐵軌的端面就會接觸，甚至擠壓變形。這就是應力作用。當兩種不同的材料粘結接觸時，當溫度發生變化，若兩種材料的熱膨脹係數不同，在接觸面由於延伸或收縮尺度不同，相互間產生拉力，這就是橫向的剪切應力。

　　在LED中，有不同的材料，熱膨脹係數是不同的。在溫度反覆變化的過程中，各物質不可能回復到它們最初接觸時的狀態，相互間會保持有一定的應力。但不一定會有害。只有當膨脹係數相差太大、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晶片，使晶片破損，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的側面就存在著懸掛鍵，應力的作用，使得表面原子發生微位移，這些懸掛鍵的電場更加處於一種不平衡狀態，從而造成端面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. 晶片本身漏電

　　通常，這種情況也是較少發生。除非晶片的次品出廠。

　　一般來講，晶片在製造廠是不容易受到沾汙的。但是，在晶片的後續分選、包裝時，是有可能發生沾汙的。本人看到過某晶片廠的後續分選、包裝車間環境就是沒有淨化等級的普通廠房。

　　7. 工藝不當，使得晶片開裂

　　晶片底部膠體不均勻，或焊盤下面有空洞，打線時可能損傷晶片產生漏電或失效。 焊線機調整不當，打傷晶片，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，本人在一些論壇裡有談過【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。

　　摩擦靜電是由於兩個物體接觸摩擦或分離過程中產生電荷的移動而產生。導體間的摩擦留下的靜電通常比較弱，這是由於導體的導電能力強，摩擦產生的離子會在摩擦過程中及終止時很快運動到一起而中和。而絕緣體摩擦後，可能會產生較高的靜電電壓，但是電荷量卻很小。這是由於絕緣體本身的物理結構決定的。絕緣體的分子結構中，電子很難脫離原子核的束縛自由移動，所以，摩擦結果也只能產生少量的分子或原子電離。

　　感應靜電是物體處於電場之中，受電磁場的作用，物體中的電子發生移動而形成電場。感應靜電一般只能在導體上產生。空間電磁場對絕緣體的作用可以忽略。

　　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。

　　由於電荷量很少，放電時，形成的電流非常小，時間非常短，電壓不能維持，極短的時間就降下來。

　　由於人體不是絕緣體，所以，身體各處積累的靜電荷，在有放電通路的情況下，都會匯集過來，所以感覺電流大些，有電擊的感覺。人體、金屬物品等導體在產生靜電後，放電電流會比較大。

　　對於絕緣性能好的材料，一個是產生的電荷量非常小，另一方面，產生的電荷，很難流動。電壓雖然高，但某處有放電通路時，只是接觸點及附近極小範圍內的電荷可以流動放電，非接觸點的電荷則不能放電（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。

　　

　　所以，雖然塑料周轉箱、包裝泡沫上、化纖地毯等的靜電電壓非常高，其實放電能量非常小。

　　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體、三極體，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，我們這裡就不去考慮它了）。

　　那麼，靜電是怎麼對電子元件損害的呢？我也不要扯得太遠，就只講半導體器件的問題，而且就局限於二極體、三極體、IC、LED方面。（否則會囉嗦太多衝淡主題）。

　　電對半導體元器件的損壞，最終是有電流的參與。在電流的作用下，由於熱而損壞器件。要有電流，就要有電壓。但是，半導體二極體有PN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，哪裡的電阻大，電壓就在哪裡集中。但就來看LED，電壓正向加給LED時，當外電壓小於二極體的閾值電壓（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面的壓降乘以電流值。若是電流值不加限制，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中的每個元件的面積非常小，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體、小功率三極體都不是非常怕靜電，因為它們晶片的面積比較大，寄生電容也比較大，一般的靜定不容易在它們上面積累高電壓。小功率的MOS管，由於柵極氧化層很薄，寄生電容小，所以很容易遭靜電損壞，通常會在封裝完成後將三個電極短路後出廠。使用中也常要求在焊接完成後再去掉短路線。而大功率的MOS管，由於晶片面積大，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實際就是有個二極體，它的面積相對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。

　　一般場合的靜電，尤其是絕緣體上產生的靜電，電壓會很高，但放電電荷量極微，而且放電電流持續時間很短。而導體上感應的靜電，電壓可能不是很高，但是放電電流卻可能很大，而且往往是持續的電流。這樣對電子元件的危害就非常大。

　　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？這裡，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。

　　上面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。

　　上面的現象告訴我們，靜電問題也不是可以忽視的。 靜電放電是要有導電迴路的，不是有靜電就有損害。

　　上面的現象還提示我們，當著僅有極少量的漏電問題發生，可以考慮靜電偶然損壞問題。若是大量發生，則更多的可能是晶片沾汙或應力的問題。

　　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。這裡其實並不是LED漏電，而是灌封膠有問題。

　　後記

　　對於LED的漏電問題，大部分項大家基本沒有什麼異議。而對於晶片沾汙和應力造成漏電，LED行業不了解的人想必很多。尤其是LED經過客戶的手後再反映漏電，封裝廠和晶片廠都會歸咎於靜電，理由是它們在出廠時是沒有漏電的。這其實就是因為沾汙或應力問題的存在而導致的可靠性問題，具體就是早期失效問題。很多封裝廠的工程師不了解這些。因為非常多的封裝工程師不是學習半導體器件專業的。

　　有些不了解的人還會把漏電原因歸結於封裝廠使用了爛晶片，封裝廠也會感到很委屈。（確實有用爛晶片的，這個也不排除）。