靜電測(cè)試技術(shù)在LED品質(zhì)提升的應(yīng)用

　　一、前言

　　LED應(yīng)用已擴(kuò)大至各個(gè)領(lǐng)域，包含LCD Backlight、手機(jī)Backlight、號(hào)志燈、藝術(shù)照明、建筑物照明及舞臺(tái)燈光控制、家庭照明等領(lǐng)域，根據(jù)DIGITIMES Reasearch調(diào)查，2010~2015的需求成長(zhǎng)高達(dá)30%，因此促使LED產(chǎn)能的大幅增加。隨著LED應(yīng)用環(huán)境的多元復(fù)雜化，LED下游商對(duì)上游晶粒品質(zhì)的要求日趨嚴(yán)苛，如LED耐靜電測(cè)試(ELectrostatic Discharge, ESD)的電壓值就從原本4kV要求，逐漸提高到8kV，以容忍戶外的惡劣環(huán)境。所以高壓LED耐靜電測(cè)試為目前LED晶粒點(diǎn)測(cè)機(jī)中，急待開發(fā)的關(guān)鍵模組。

　　環(huán)境中各種不同模式的靜電，包含人體靜電或機(jī)械靜電，均會(huì)對(duì)LED造成損壞。當(dāng)靜電通過感應(yīng)或直接觸碰于LED的兩個(gè)引腳上的時(shí)候，電位差將直接作用在LED兩端，而電壓超過LED的承受值時(shí)，靜電電荷以極短時(shí)間內(nèi)在LED兩個(gè)電極間進(jìn)行放電，造成LED絕緣部位損壞，產(chǎn)生漏電或短路等現(xiàn)象。所以固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council)于JESD22-A114E、JESD22-A115A中，制定人體靜電放電模式(Human Body Model，HBM)與機(jī)器裝置放電模式(Machine model，MM)的測(cè)試規(guī)范，來確保LED產(chǎn)品的品質(zhì)。但購買國(guó)外高壓產(chǎn)生器搭配充放電切換電路，并整合Prober與自動(dòng)化移動(dòng)平臺(tái)主要缺點(diǎn)為反應(yīng)速度慢(0至4kV上升時(shí)間500ms)，且未考量探針的高壓絕緣，所以有晶粒分類速度慢及測(cè)試波型穩(wěn)定性不足等嚴(yán)重問題，常會(huì)擊穿LED或充放電模組，如圖1，或機(jī)臺(tái)高壓測(cè)試性不足，出貨后仍被高壓靜電損壞，直接影響LED成品品質(zhì)。加上晶圓上2萬~4萬顆晶粒測(cè)量的時(shí)間常費(fèi)時(shí)超過1小時(shí)，需要縮短檢測(cè)時(shí)間以提高產(chǎn)能。因此本文透過開發(fā)針高速大動(dòng)態(tài)范圍LED晶圓靜電量測(cè)模組，于高速多電壓切換高壓產(chǎn)生組件設(shè)計(jì)使用動(dòng)態(tài)范圍控制電路與PID回授控制，以高電壓動(dòng)態(tài)范圍(250V-8kV)及高速靜電測(cè)試(80ms)，如圖2A與圖2B，來滿足國(guó)內(nèi)LED產(chǎn)業(yè)需求，達(dá)成降低成本與關(guān)鍵模組自制化之目的。

圖1 LED遭靜電損害

圖2A  高速大動(dòng)態(tài)范圍靜電量測(cè)模組短路靜電測(cè)試電流波形

圖2B  高速多電壓切換高壓產(chǎn)生組件電測(cè)試輸出電壓波形

    二、LED晶圓靜電量測(cè)模組系統(tǒng)架構(gòu)
 
    本文開發(fā)高速大動(dòng)態(tài)范圍LED晶圓靜電量測(cè)模組如圖3，針對(duì)晶粒的耐靜電電壓進(jìn)行全檢測(cè)試，依LED耐靜電電壓的大小，進(jìn)行LED級(jí)別分類。此靜電點(diǎn)測(cè)全檢模組包含測(cè)試高速多電壓切換高壓產(chǎn)生組件、探針組件、充放電組件、軟件分類組件。以測(cè)試探針平臺(tái)移動(dòng)兩探針接觸待測(cè)LED之正負(fù)電極上，高速多電壓切換高壓產(chǎn)生組件依軟件電控程式設(shè)定產(chǎn)生人體靜電放電模式或機(jī)器裝置放電模式測(cè)試電壓準(zhǔn)位，充放電模組儲(chǔ)存高壓產(chǎn)生器電荷后對(duì)待測(cè)LED進(jìn)行靜電耐壓測(cè)試，最后軟件分類組件顯示靜電測(cè)試結(jié)果。本技術(shù)針對(duì)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)LED晶圓靜電量測(cè)模組動(dòng)態(tài)范圍不足(500V至4000V)與國(guó)外模組電壓切換時(shí)間過慢(0V至4kV上升時(shí)間約500ms)之問題，設(shè)計(jì)成高速大動(dòng)態(tài)范圍LED晶圓靜電量測(cè)模組，使輸出電壓可涵蓋規(guī)范靜電分類之最小電壓250V至最大電壓8000V大動(dòng)態(tài)范圍﹔并縮短低電壓切換至高電壓上升時(shí)間至80ms以內(nèi)，以達(dá)高速與大動(dòng)態(tài)范圍LED晶粒線上檢測(cè)與分類目的。

圖3  高速大動(dòng)態(tài)范圍LED晶圓靜電量測(cè)模組系統(tǒng)圖

各主要組件設(shè)計(jì)考慮要點(diǎn)如下:

    1. 測(cè)試探針組件設(shè)計(jì)部份

    測(cè)試探針組件用于傳送電壓與電流，探針外絕緣保護(hù)可防止漏電流產(chǎn)生，進(jìn)而提高靜電量測(cè)準(zhǔn)確度。

    絕緣設(shè)計(jì)上分為分為內(nèi)絕緣和外絕緣兩大類。內(nèi)絕緣為模組內(nèi)部的絕緣。包括固體介質(zhì)的絕緣以及由不同介質(zhì)構(gòu)成的組合絕緣。雖然外部大氣條件對(duì)內(nèi)絕緣基本沒有影響，但材料的老化、高溫、連續(xù)加熱以及受潮等因素對(duì)內(nèi)絕緣的絕緣強(qiáng)度卻有不利的影響，同時(shí)內(nèi)絕緣若發(fā)生擊穿，它的絕緣強(qiáng)度也不能自行恢復(fù)。外絕緣則指在直接與大氣相接觸的條件下工作，所形成的各種不同形式的絕緣，包括空氣間隙和模組固體絕緣的外露表面。外絕緣的突出特點(diǎn)是在放電停止后，其絕緣強(qiáng)度通常能迅速地完全恢復(fù)，并與重復(fù)放電的次數(shù)無關(guān)。而外絕緣的絕緣強(qiáng)度和外部大氣條件密切相關(guān)，會(huì)受大氣溫度、壓力、濕度等多種因素的影響；以大氣為例，一般大氣中的絕緣強(qiáng)度約30kV/cm，有水滴存在時(shí)約為10kV/cm，溫度由室溫上升至攝氏100度時(shí)，絕緣強(qiáng)度降為80%，因此設(shè)計(jì)上將由溫濕度造成估算材料絕緣強(qiáng)度變化范圍，并以此設(shè)計(jì)耐壓所需保留之安全間距。

    探棒絕緣檢測(cè)可以絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)來確定。試驗(yàn)包括耐壓試驗(yàn)和擊穿試驗(yàn)兩種。耐壓試驗(yàn)是對(duì)試件施加一定電壓，經(jīng)過一段時(shí)間后，以是否發(fā)生擊穿作為判斷試驗(yàn)合格與否的標(biāo)準(zhǔn)。擊穿試驗(yàn)是在一定條件下逐漸增高施加于試件上的電壓，直到試件發(fā)生擊穿為止。

    2. 高速多電壓切換高壓產(chǎn)生組件與充放電組件

    此組件部份設(shè)計(jì)包括控制回路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與干擾防制，控制回路穩(wěn)定性工作包括元件模型建立、穩(wěn)定性條件分析、回路穩(wěn)定性測(cè)試等。干擾防制方法為降低寄生電容，電路板寄生電容值大小值與電路板布線線路幾何位置、線路寬度、電路板絕源材質(zhì)有關(guān)，為降低線路寄生電容于設(shè)計(jì)時(shí)首先將易受干擾點(diǎn)標(biāo)示，走線時(shí)以此標(biāo)示點(diǎn)位置為優(yōu)先布線考量，不易受干擾線路最后布線。

    3. 軟件組件部份

    控制探針下針位置，觸發(fā)高壓產(chǎn)生器的充放電模組，控制輸入的電壓充電完成后對(duì)待測(cè)LED放電并量測(cè)結(jié)果顯示。

    三、LED晶圓靜電量測(cè)模組系統(tǒng)組裝與測(cè)試結(jié)果

    完成高壓產(chǎn)生器交流電壓調(diào)變電路設(shè)計(jì)制作如圖4，使用高壓探棒實(shí)際量測(cè)交流電壓振幅峰對(duì)峰6.26kV－最大交流振幅:3.13kV，測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果直流電壓值最大值8.08kV ，于8kV電壓經(jīng)由短路輸出端短路電流測(cè)試于放電電阻:1500 Ω +/- 1%條件下，峰值電流達(dá)5.46A (理論值:8000/1500=5.33)。完成LED靜電點(diǎn)測(cè)模組規(guī)格驗(yàn)證于靜電電壓4Kv并于以下測(cè)試條件:

    (1)常溫、常濕、大氣環(huán)境下

    (2)測(cè)試探棒:頻寬大于1 GHz電流探棒

    (3)充電電容:100 pF +/- 10% (effective capacitance)

    (4)放電電阻:1500 Ω +/- 1%

    重復(fù)量測(cè)HBM短路峰值電流5次結(jié)果如下:

    峰值電流量測(cè)理論值2.66A于一小時(shí)后峰值電流2.70A，偏移量1.5%，滿足測(cè)試規(guī)范峰值電流2.40~2.96A@4kV與HBM負(fù)載短路上升時(shí)間2.0~10ns@4kV。

圖4 高壓產(chǎn)生器完成電路模組

    四、結(jié)論

    本文對(duì)所開發(fā)高速大動(dòng)態(tài)范圍LED晶圓靜電量測(cè)模組，使輸出電壓可涵蓋規(guī)范靜電分類之最小電壓250V至最大電壓8000V大動(dòng)態(tài)范圍﹔并縮短低電壓切換至高電壓上升時(shí)間至80ms以內(nèi)，未來將進(jìn)行小型試量產(chǎn)與至客戶端進(jìn)行耐久測(cè)試，并視商品化需求進(jìn)行修改，以達(dá)高速與大動(dòng)態(tài)范圍LED晶粒線上檢測(cè)與分類目的。于應(yīng)用方面除可用于LED靜電測(cè)試外主，搭配探針點(diǎn)測(cè)技術(shù)可應(yīng)用于半導(dǎo)體BGA、CSP(Chip Scale Package)、FC(Flip Chip)微小元件晶圓靜電測(cè)試。進(jìn)一步應(yīng)用包括可用于X-ray Tubes、Photomultiplier Tubes、Electron Beam Focusing等。