LED的防静电控制

LED的防静电控制

1、 静电的概念

什么是静电（ES，electrostatic），即由于电荷和电场的存在而产生的一切现象。静电并非静止不动的电，而是缓慢移动的电荷。其磁效应可以忽略。静电与常用电从性质上是一样的，本质都是电荷。

静电有以下几种现象：

·静电力学现象：静电引力，像静电吸尘、静电植绒、静电复印机等；静电排斥力，如纸张布卷绕不齐、不规则，整形不佳，混合不良。

·静电感应现象：静电噪音，机器损耗，继电器与电子元件误工作，自控失灵，电路不良，必须加以静电屏蔽。我们常见的油轮、油罐汽车上会带有一根铁链连接地面，就是用于静电放电。

·静电放电现象：静电噪音、放电噼啪声，雷鸣电闪，天空乌云与地面正负电荷放电，等等。可以导致电子元器件pn结击穿、自动开关误操作等。

2、 静电的产生

物质的基本组成是分子、原子；尽管原子的种类不同，但是它总含有带正电的原子核与外壳层带负电的电子，正常情况下正负电荷总量相等，呈现电中性。当物体处在不同的外界环境下或受到外来因素的作用时（如加热、光照、冲击、摩擦、电磁场），外壳层电子状态、电荷电量、电子运动轨道、所处能级将发生改变，从而引起相应的放电现象。

任何物体上的静电，主要都是由于摩擦或感应两个过程产生的，这是一种普通的物理过程，尤其是干燥环境下的气体或者高纯水高速流动过物体表面，都会使之带上电荷。一般情况下，无机材料（如石棉、玻璃、云母等）更易带正电荷；有机高分子材料（如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯树脂、聚亚胺酯等）易带负电荷。表1汇总了物体摩擦带电情况。

表1 物体摩擦带电情况

总而言之，静电产生不仅取决于材质内部的分子、原子结构，而且在相当程度上还与外界因素有关。当人在室内走动（尤其是穿塑料在地板上滑行），拖动、搬动物体，或是翻书、使用电风扇、使用空调、撕开胶带、手或袖子在桌面上移动时，这一系列运动摩擦都可引起静电放电效应。表2总结了人在室内做出动作时所带的静电。

表2 人在室内做出动作时所带的静电

从物质结构上来看，静电易发生在非导体表面，这是因为非导体（如介质材料、绝缘体及高阻半导体这些材料）在外因作用下，容易产生极化电荷或感应电荷。这部分电荷不像导体上的电子一样可以自由运动，它是在正负电荷相互吸引状态下存在的，难以在物体表面移动。当表面有一定电荷积累就会产生表面电势，表面电荷只有通过空气中的离子中和或靠物体表面漏电流而慢慢地消失。只要物体所处环境潮湿或表面有一定的湿度，就可以增强表层的电导率，这样才能使表面静电较快消失。

3、 带电电位与体电阻率

实验发现，绝缘介质、液体起电现象的带电电位与体电阻率的关系如图1所示。

图1 带电电位与体电阻率的关系

体电阻处于10¹¹~10¹⁴Ω·cm的绝缘体最易摩擦起电；体电阻lt;10¹⁰Ω·cm的材料含杂质多，导电性较好，产生静电可以很快消失。工作人员穿着橡胶鞋、聚乙烯拖鞋、合成纤维袜子在车间内走动，或在聚胺酯地面、塑料工作面上操作，可以使人体带上2000~3000V的静电。

半导体电阻率界于导体和绝缘体之间，受到外因诱发易产生感应电荷，表3中的几种半导体常用做LED的衬底材料，其中还列出了其抗静电的能力。

表3 硅、碳化硅、蓝宝石的物理特性

4、 生产环境

为了尽量降低静电效应给器件带来的破坏和影响，对生产LED的洁净车间、整机装配调试车间、精密电子仪器生产车间都有严格的环境要求：

·地面、墙壁、工作台带静电情况：光刻车间塑料板地面的静电电位约为500~1000V，扩散、洗手间的塑料墙纸为500~1500V，清洗间的瓷质地面为0~1500V，扩散间的塑料墙地面为700V，塑料顶棚为0~1000V。

·工作台面为500~2000V，最高可达5kV。

·风口、扩散间铝孔板的送风口为500~700V。

·人和服装可为30kV，非接地操作人员一般可带3~5kV，高时可达10kV。

·喷射清洗液的高压纯水为2kV，聚四氟乙烯支架有8~12kV，芯片托盘为6kV，硅片间的隔纸可达2kV。

5、 器件失效的原因

以pn结结构为主的半导体器件在制造、筛选、测试、包装、储运及安装使用等环节，难免不受静电感应影响而产生感应电荷。若得不到及时释放，在pn结上形成的较高电位差加上pn结两端，会使之瞬间放电击穿pn结，特别是在干燥季节、洁净环境下尤为突出。

pn结是LED的基本结构，但由于材料不一样，所以抗静电的能力也不同。红色、橙色、黄色LED所用的材料主要是GaP与GaAs及其混晶GaAsP。这些化合物半导体禁带宽度在1.8~2.2eV之间，pn结易掺杂低阻性材料，其导电性能较好，在器件制造中产生的静电能较快释放，故抗静电能力会好一些。

而绿色、蓝色、白色LED的pn结附近材料是InGaN或者AlGaNlGaN，其禁带宽度为3.3eV，比一般红色、橙色、黄色LED材料大50%左右，电阻率相对较高。再加上这一类LED的衬底是用高阻值的蓝宝石（Al₂O₃）或碳化硅（SiC）制成的，其导电性和导热性都很差，因此制程工艺中产生的静电感应特别严重。如Al₂O₃衬底的蓝光LED的pn结电极是V型电极（在同一面），电极之间的距离lt;300μm，一旦积累感应电荷，很容易在该处发生自激放电。又由于AlGaNlGaN的发光激活层较薄，因此静电放电中该层更容易被击穿。

操作者或LED本身也有静电感应，虽然电荷不多，但是经一段时间的积累，特别是在干燥环境下，人手触摸引脚或LED与工作机台、桌面接触，即会引起瞬间放电。以SiC为衬底的InGaN材料，基本上是L型电极垂直结构的LED，其静电电压高达1000V；而一般以Al₂O₃为衬底的LED器件通常是V型电极，其抗静电电位仅为500V。但是做好的LED正向电压只有3~4V，反向电压只有15~20V，所以要小心保护。

6、 防静电措施

静电击穿器件使其失效是在不知不觉中发生的，被静电损坏的LED不能用筛选方法排除，所以只有做好预防措施，建立一套防静电（ESD）生产工艺和测试流程规范。这对提高LED产品质量及成品率是十分关键的。主要的措施包括：

·各环节要尽量减少接触这类LED器件的人数，限制人员不必要的走动，搬推椅子。

·使用导电率好的包装袋来包装LED。

·应戴上手套接触LED器件（但不能戴尼龙和橡皮手套）。

·取出备用的LED器件后不要堆叠在一起，器件尽量不要互相接触。从包装袋中取出而暂时不用的器件，应用防静电袋包起来。

·必须用手接触LED的器件时，应接触管壳而避免接触LED器件的引出端。要接触LED器件前，应将手或身体接“地”一下，把静电释放干净。

·电烙铁要求永久接地。

·工作环境的相对湿度应保持在50%左右，不穿容易产生静电的工作服。

·车间地面应采用含碳塑料、含碳橡胶或导电乙烯做成，电阻率ηlt;10⁵Ω·cm或用静电耗散性材料，电阻率就在10⁵Ω·cm~10⁹Ω·cm之间。

·椅子和工作台上应附加一层静电耗散材料，椅子的电阻率应是10⁵Ω·cm~10⁸Ω·cm之间。

·工作服、棉制工作服有一定的导电性，最好使用防静电服。工作鞋要用静电耗散型材料做成，电阻率在10⁵Ω·cm~10⁸Ω·cm之间，也要有防静电鞋。

·带上防静电手镯实际上是手镯与手接触，再把手镯接“地”，这样手与地就成为同电位，可将人身上的静电释放。

·在工作区域使用离子风扇防止静电积累，因为离子风扇送出的负离子能与静电中和，不会使静电积累成很高电压。

·车间里所用的设备都要有良好的接地，接地电阻不能大于10Ω。车间入口处一定要有接地金属球，人进入时先摸金属球，以释放身上的静电。