芯片受到沾污引起漏电 - LED芯片漏电原因深度解析

　　对LED漏电原因的分析： 

      1. 芯片受到沾污引起漏电

　　LED芯片是非常小的，灰尘等易对它产生遮蔽作用，最重要的是灰尘、水汽、各种杂质离子会附着与芯片表面，不仅会在表面对芯片内部产生作用，还会扩散进入芯片内部产生作用。比如，铜离子、钠离子都很容易扩散进入半导体材料中，非常微小的数量就可以使半导体器件的性能严重恶化。对于半导体器件的制造，通常都要求有净化等级非常高的洁净厂房。可以考察一下LED封装厂，上千家之中有几家的厂房能有什么样的洁净等级？绝大多数都是能与大气直接相通的房间，根本谈不上净化。虽然有人会说，“我们的厂房没有灰尘，很洁净”，可是，洁净程度不是用眼睛来看的！眼睛是根本看不到芯片生产和封装要求的洁净程度的，必须是用专门的仪器来检测。不仅仅要求厂房要达到要求的洁净度，对涉及到芯片裸露的工序，工作人员要穿净化工作服，戴工作帽，戴口罩，工作人员不许涂化妆品等。这些个严苛生产条件，目前对LED封装厂来讲，不是想不到，就是不愿做。不愿做的原因非常简单，成本上的增加无法接受——竞争太激烈。封装厂房达不到要求的洁净程度，那么，LED的质量问题就来了。

　　早期的LED芯片以及现在很多厂家的芯片，都没有在芯片的侧面做保护层。现在国外一些芯片厂商已经开始在芯片的侧面做保护层了。但是，现在的保护层一般是采用二氧化硅材料，而且厚度很薄，保护能力是有限的。在洁净度很差的封装厂，仍然会由于沾污造成漏电现象。

　　下面我们来做分析。

　　1.1 芯片侧面没有做钝化

　　很多芯片由于各种因素，没有对芯片的侧面做钝化保护，使得芯片划片后，PN结在侧面裸露于空气中。如图1所示。

　　

　　以前未作侧面钝化的圆片，划片方法见图2和图3.从图4对实际芯片包装的照片上就可以证明芯片侧面是不做钝化的。因为从照片上可以看到，芯片侧面极不规整。为什么这样芯片还可以出厂呢？因为，在芯片厂里，侧面即使没有保护层，由于厂房的洁净度高，加之裸露时间不长，侧面还没有受到沾污，所以测量是没有漏电的，就将它们出厂了。

　　

　　

　　为什么这样的状况就会造成漏电呢？下面就要从微观结构上来讲讲了。

　　图5是一个晶体表面处的微观结构示意图。表面处原子外层电子数不饱和，存在悬挂键。这些悬挂键形成表面态能级，引起漏电【3】【4】。而且，这些悬挂键非常有活性，很容易吸附其它分子、原子和离子。所吸附的杂质发生电离，直接就形成了电流通道。这个电流通道相当于给PN结并联了一个电阻。

　　

　　这种表面沾污造成的漏电及短期失效问题，早已被半导体元器件制造行业认识，并通过制作保护层来加以解决。

　　1.2 芯片侧面有保护层

　　现在有些LED芯片厂在芯片侧面也做上了二氧化硅保护层。但是，即使是PN结端面上有二氧化硅保护层，由于制造方面的原因，在二氧化硅中可能会有可移动的离子存在。在封装厂的不洁净环境中，还会收到沾污。所以，没有良好的二氧化硅生产工艺，没有达到洁净等级的封装厂房，LED封装后出现漏电的几率仍然是很高的。

　　二氧化硅层中的可移动离子移动到半导体材料表面，可能使P型材料表面产生耗尽层，严重的发生反型，从而发生漏电。

　　在通常的硅半导体器件制造中，为了解决二氧化硅的问题，一般会在芯片功能制造完毕后，再增加一层钝化层。现在常用的是氮化硅材料。这样会大大提高半导体器件的稳定性和可靠性【5】【6】。这些不是本文讨论的内容，提及它只是提醒大家，在LED中，虽然有二氧化硅保护层，但后期不注意保洁，还是会有漏电问题的。

　　对于二氧化硅中含可移动离子及沾污对漏电的更详细的分析，读者可以参考有关半导体的资料，如半导体物理、晶体管原理、半导体器件制造工艺等书籍。

　　1.3 沾污漏电的表现

　　晶体管的漏电，可能是PN结制造不良产生，也可能是沾污造成。通常，PN结不良或受损产生漏电是不可恢复的，具有正、反向漏电状况基本相同的特征，而且常表现为完全穿通。沾污造成的漏电，观察其伏安特性，通常有多种表现，如：正、反向漏电的伏安特性曲线不同;反向击穿电压蠕变;正向伏安曲线蠕变;严重的也会表现出正、反向都是穿通的状况等。沾污漏电还表现出不稳定性，某些状况下，漏电状况还会暂时恢复正常，即暂时不漏电。

　　下面通过一些实例来看看沾污对LED带来的漏电表现。

　　实例一：被反向电压击正常的LED

　　白光LED，测试正向时，有漏电，见图7（a）。测反向时，在反向电压小于某个值时，可以看到有很大的漏电，图7（b）中的反向电压为10V。当着反向电压继续增大时，漏电突然消失，呈现不漏电的状况。图7（c）中漏电消失时的发现电压约大于10V。此时再测试正向伏安特性，可以看到，漏电完全消失，LED恢复正常。见图7（d）。但是，这种恢复正常是暂时的，放置一段时间后，LED又会出现漏电。测试时，还会重复上述过程。

　　

　　从正、反向的漏电曲线看，它们的漏电程度是不同的。这种反向电压击正常的现象，分析为外加电场使得沾污离子的再分布，使其远离PN结端面区域。因而使得PN结端面恢复正常。但是放置一段时间，由于温度的变化，或在正向电压作用下，沾污离子又会迁移到PN结端面附近，重新造成漏电。

　　实例二、反向电流蠕变，较高反电下漏电消失。读者可以先看一下附件1的实测视频——反向电压击正常的LED。在此示例中可以看到，在施加反向电压时，随着电压的升高，反向电流忽大忽小，即发生蠕变现象。当着反向电压高到某个值时，漏电流消失了。再测正向特性，可以看到是正常的，没有漏电流了。不过，这种恢复正常也是暂时的，放置一段时间后又会恢复漏电状况。

　　实例三、反向漏电蠕变非常大，正向漏电蠕变，到VF时不漏电。读者可以先看一下附件2的实测视频——大漏电会亮的LED。本例与实例一不同的是，在较高反压下也没能使漏电消失，并且反向漏电非常大。但是在正向时，漏电并没有反向的大，在正向导通后，漏电状况反倒消失了。

　　实例四、反向漏电不是很大，正向电压小于VF时漏电很大，到VF之后漏电变到很小。读者可以先看一下沾污漏电。

　　实例五、正向点亮前漏电非常大，到VF时基本正常。而反向漏电远比正向漏电小。读者可以看一下LED非击穿漏电。

　　实例六、LED产品严重漏电，类似穿通。解剖出芯片后，芯片正常，没有漏电。

　　1.4 沾污漏电的判定

　　沾污漏电和PN结或体材料受损漏电的区分，有些状况很难直接判定，需要解剖取出芯片来观察分析。但是，有些现象确实可以区分的。比如上面的六个实例中都是沾污造成的漏电。

　　1.5 本节小结

　　沾污漏电，PN结没有损伤，它是由于沾污离子直接或间接参与导电形成的。这种状况在半导体制造行业中是一个常识性的问题，已经有很多表面钝化方法可以很好地解决。LED行业虽然也是属于半导体行业，但是就LED封装行业来看，由于技术门槛低，使得这个行业中有半导体专业知识的人员非常少。结果一个很普通的、常识性的问题，在LED行业中成了一个难以克服的问题。之所以难以克服，就是因为没有找到问题的症结。而是一味听信于一些“专家”对静电问题的夸大宣传。结果是花费了大量资金和精力于防静电上。防静电措施做得非常好了，可是漏电现象依然发生。

　　在前面已经提到了，绝大多数的封装厂的生产环境非常差，没有净化厂房，LED漏电现象是在所难免的。所以有些人会说到，入库产品每隔几天拿出来测试就会发现有漏电的产品出现。“净化厂房”可不是指用拖布拖得干干净净的、底板非常亮的就是净化厂房。在LED的固晶、焊线、封胶等工序中，由于芯片会裸露于空气中，所以必须要有达到一定等级的净化程度。净化等级是要用仪器来测量确定的，绝不是用眼睛能看到的。

　　静电的状况是随机的，虽然它似乎无处不在，但它绝不是处处都能够释放足够的能量造成破坏。