靜電測試技術在LED品質提升中的應用

一、前言

LED應用已擴大至各個領域，包含LCD Backlight、手機Backlight、號志燈、藝術照明、建筑物照明及舞臺燈光控制、家庭照明等領域，根據(jù)DIGITIMES Reasearch調查，2010~2015的需求成長高達30%，因此促使LED產(chǎn)能的大幅增加。隨著LED應用環(huán)境的多元復雜化，LED下游商對上游晶粒品質的要求日趨嚴苛，如LED耐靜電測試(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耐靜電測試為目前LED晶粒點測機中，急待開發(fā)的關鍵模組。

環(huán)境中各種不同模式的靜電，包含人體靜電或機械靜電，均會對LED造成損壞。當靜電通過感應或直接觸碰于LED的兩個引腳上的時候，電位差將直接作用在LED兩端，而電壓超過LED的承受值時，靜電電荷以極短時間內在LED兩個電極間進行放電，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)技術協(xié)會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)與機器裝置放電模式(Machine model，MM)的測試規(guī)范，來確保LED產(chǎn)品的品質。但購買國外高壓產(chǎn)生器搭配充放電切換電路，并整合Prober與自動化移動平臺主要缺點為反應速度慢(0至4kV上升時間500ms)，且未考量探針的高壓絕緣，所以有晶粒分類速度慢及測試波型穩(wěn)定性不足等嚴重問題，常會擊穿LED或充放電模組，如圖1，或機臺高壓測試性不足，出貨后仍被高壓靜電損壞，直接影響LED成品品質。加上晶圓上2萬~4萬顆晶粒測量的時間常費時超過1小時，需要縮短檢測時間以提高產(chǎn)能。因此本文透過開發(fā)針高速大動態(tài)范圍LED晶圓靜電量測模組，于高速多電壓切換高壓產(chǎn)生組件設計使用動態(tài)范圍控制電路與PID回授控制，以高電壓動態(tài)范圍(250V-8kV)及高速靜電測試(80ms)，如圖2A與圖2B，來滿足國內LED產(chǎn)業(yè)需求，達成降低成本與關鍵模組自制化之目的。

圖1 LED遭靜電損害

圖2A 高速大動態(tài)范圍靜電量測模組短路靜電測試電流波形

圖2B 高速多電壓切換高壓產(chǎn)生組件電測試輸出電壓波形

二、LED晶圓靜電量測模組系統(tǒng)架構

本文開發(fā)高速大動態(tài)范圍LED晶圓靜電量測模組如圖3，針對晶粒的耐靜電電壓進行全檢測試，依LED耐靜電電壓的大小，進行LED級別分類。此靜電點測全檢模組包含測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。以測試探針平臺移動兩探針接觸待測LED之正負電極上，高速多電壓切換高壓產(chǎn)生組件依軟件電控程式設定產(chǎn)生人體靜電放電模式或機器裝置放電模式測試電壓準位，充放電模組儲存高壓產(chǎn)生器電荷后對待測LED進行靜電耐壓測試，最后軟件分類組件顯示靜電測試結果。本技術針對現(xiàn)有國內LED晶圓靜電量測模組動態(tài)范圍不足(500V至4000V)與國外模組電壓切換時間過慢(0V至4kV上升時間約500ms)之問題，設計成高速大動態(tài)范圍LED晶圓靜電量測模組，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大動態(tài)范圍﹔并縮短低電壓切換至高電壓上升時間至80ms以內，以達高速與大動態(tài)范圍LED晶粒線上檢測與分類目的。

圖3 高速大動態(tài)范圍LED晶圓靜電量測模組系統(tǒng)圖各主要組件設計考慮要點如下:

1. 測試探針組件設計部份

測試探針組件用于傳送電壓與電流，探針外絕緣保護可防止漏電流產(chǎn)生，進而提高靜電量測準確度。

絕緣設計上分為分為內絕緣和外絕緣兩大類。內絕緣為模組內部的絕緣。包括固體介質的絕緣以及由不同介質構成的組合絕緣。雖然外部大氣條件對內絕緣基本沒有影響，但材料的老化、高溫、連續(xù)加熱以及受潮等因素對內絕緣的絕緣強度卻有不利的影響，同時內絕緣若發(fā)生擊穿，它的絕緣強度也不能自行恢復。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。外絕緣的突出特點是在放電停止后，其絕緣強度通常能迅速地完全恢復，并與重復放電的次數(shù)無關。而外絕緣的絕緣強度和外部大氣條件密切相關，會受大氣溫度、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度約30kV/cm，有水滴存在時約為10kV/cm，溫度由室溫上升至攝氏100度時，絕緣強度降為80%，因此設計上將由溫濕度造成估算材料絕緣強度變化范圍，并以此設計耐壓所需保留之安全間距。

探棒絕緣檢測可以絕緣強度試驗來確定。試驗包括耐壓試驗和擊穿試驗兩種。耐壓試驗是對試件施加一定電壓，經(jīng)過一段時間后，以是否發(fā)生擊穿作為判斷試驗合格與否的標準。擊穿試驗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

此組件部份設計包括控制回路穩(wěn)定性設計與干擾防制，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、電路板絕源材質有關，為降低線路寄生電容于設計時首先將易受干擾點標示，走線時以此標示點位置為優(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待測LED放電并量測結果顯示。

三、LED晶圓靜電量測模組系統(tǒng)組裝與測試結果

完成高壓產(chǎn)生器交流電壓調變電路設計制作如圖4，使用高壓探棒實際量測交流電壓振幅峰對峰6.26kV－最大交流振幅:3.13kV，測試驗證結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試于放電電阻:1500 Ω +/- 1%條件下，峰值電流達5.46A (理論值:8000/1500=5.33)。完成LED靜電點測模組規(guī)格驗證于靜電電壓4Kv并于以下測試條件:

(1)常溫、常濕、大氣環(huán)境下

(2)測試探棒: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%

重復量測HBM短路峰值電流5次結果如下:

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

圖4 高壓產(chǎn)生器完成電路模組

四、結論

本文對所開發(fā)高速大動態(tài)范圍LED晶圓靜電量測模組，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大動態(tài)范圍﹔并縮短低電壓切換至高電壓上升時間至80ms以內，未來將進行小型試量產(chǎn)與至客戶端進行耐久測試，并視商品化需求進行修改，以達高速與大動態(tài)范圍LED晶粒線上檢測與分類目的。于應用方面除可用于LED靜電測試外主，搭配探針點測技術可應用于半導體BGA、CSP(Chip Scale Package)、FC(Flip Chip)微小元件晶圓靜電測試。進一步應用包括可用于X-ray Tubes、Photomultiplier Tubes、Electron Beam Focusing等。