芯片是LED最關(guān)鍵的原物料，其質(zhì)量的好壞，直接決定了LED的性能。特別是用于汽車或固態(tài)照明設(shè)備的高端LED，絕對(duì)不容許出現(xiàn)缺陷，也就是說此類設(shè)備的可靠性必須非常高。然而，LED封裝廠由于缺乏芯片來料檢驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備，通常不對(duì)芯片進(jìn)行來料檢驗(yàn)，在購得不合格的芯片后，往往只能吃啞巴虧。LED芯片來料檢驗(yàn)的業(yè)務(wù)通過運(yùn)用高端分析儀器鑒定芯片的優(yōu)劣情況。這一檢測(cè)服務(wù)能夠作為L(zhǎng)ED封裝廠/芯片代理廠來料檢驗(yàn)的補(bǔ)充，防止不良品芯片入庫，避免因芯片質(zhì)量問題造成燈珠的整體損失。
檢測(cè)項(xiàng)目：
一、芯片各項(xiàng)性能參數(shù)測(cè)試
Wd(主波長(zhǎng))、Iv(亮度)、Vf(順向電壓)、Ir(漏電)、ESD(抗靜電能力)等芯片的光電性能測(cè)試，鑒定供應(yīng)商提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù)是否達(dá)標(biāo)。
二、芯片缺陷查找
檢測(cè)內(nèi)容：
1. 芯片尺寸測(cè)量，芯片尺寸及電極大小是否符合要求，電極圖案是否完整。
2. 芯片是否存在焊點(diǎn)污染、焊點(diǎn)破損、晶粒破損、晶粒切割大小不一、晶粒切割傾斜等缺陷。
LED芯片的受損會(huì)直接導(dǎo)致LED失效，因此提高LED芯片的可靠性至關(guān)重要。蒸鍍過程中有時(shí)需用彈簧夾固定芯片，因此會(huì)產(chǎn)生夾痕。黃光作業(yè)若顯影不完全及光罩有破洞會(huì)使發(fā)光區(qū)有殘余多出的金屬。晶粒在前段制程中，各項(xiàng)制程如清洗、蒸鍍、黃光、化學(xué)蝕刻、熔合、研磨等作業(yè)都必須使用鑷子及花籃、載具等，因此會(huì)有晶粒電極刮傷的情況發(fā)生。
芯片電極對(duì)焊點(diǎn)的影響：芯片電極本身蒸鍍不牢靠，導(dǎo)致焊線后電極脫落或損傷;芯片電極本身可焊性差，會(huì)導(dǎo)致焊球虛焊;芯片存儲(chǔ)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致電極表面氧化，表面玷污等等，鍵合表面的輕微污染都可能影響兩者間的金屬原子擴(kuò)散，造成失效或虛焊。
3. 芯片外延區(qū)的缺陷查找
LED外延片在高溫長(zhǎng)晶過程中，襯底、MOCVD反應(yīng)腔內(nèi)殘留的沉積物、外圍氣體和Mo源都會(huì)引入雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)滲入磊晶層，阻止氮化鎵晶體成核，形成各種各樣的外延缺陷，最終在外延層表面形成微小坑洞，這些也會(huì)嚴(yán)重影響外延片薄膜材料的晶體質(zhì)量和性能?？焖勹b定芯片外延區(qū)缺陷的檢測(cè)方法能夠低成本、快速地檢測(cè)出芯片外延層80%的外延缺陷，幫助LED客戶選擇高質(zhì)量的外延片、芯片。
4. 芯片工藝和清潔度觀察
電極加工是制作LED芯片的關(guān)鍵工序，包括清洗、蒸鍍、黃光、化學(xué)蝕刻、熔合、研磨，會(huì)接觸到很多化學(xué)清洗劑，如果芯片清洗不夠干凈，會(huì)使有害化學(xué)物殘余。這些有害化學(xué)物會(huì)在LED通電時(shí)，與電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致死燈、光衰、暗亮、發(fā)黑等現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，鑒定芯片化學(xué)物殘留對(duì)LED封裝廠來說至關(guān)重要。
案例分析(一)：
某客戶紅光燈珠發(fā)現(xiàn)暗亮問題，但一直找不出原因，委托查找分析失效的原因。經(jīng)過一系列儀器分析排除封裝原因后，對(duì)供應(yīng)商提供的裸晶進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)每一個(gè)芯片的發(fā)光區(qū)域均有面積不等的污染物，能譜分析結(jié)果顯示該污染物包含C、O兩種元素，表明污染物為有機(jī)物。我們建議客戶注重對(duì)芯片廠商的生產(chǎn)工藝規(guī)范和車間環(huán)境的考核，并加強(qiáng)對(duì)芯片的來料檢驗(yàn)。
案例分析(二)：
某客戶生產(chǎn)的一批燈珠出現(xiàn)漏電問題，委托查找原因。通過掃描電鏡鑒定這批燈珠漏電原因?yàn)殪o電擊穿，并對(duì)供應(yīng)商提供的裸晶進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)芯片外延層表面有大量黑色空洞，這些缺陷表明外延層晶體質(zhì)量較差，PN結(jié)內(nèi)部存在缺陷?？斩吹陌l(fā)現(xiàn)，幫助客戶明確責(zé)任事故的負(fù)責(zé)方，替客戶挽回?fù)p失。
注：LED芯片的制造工藝流程
LED芯片的制造工藝流程圖
外延片→清洗→鍍透明電極層→透明電極圖形光刻→腐蝕→去膠→平臺(tái)圖形光刻→干法刻蝕→去膠→退火→SiO2沉積→窗口圖形光刻→SiO2腐蝕→去膠→N極圖形光刻→預(yù)清洗→鍍膜→剝離→退火→P極圖形光刻→鍍膜→剝離→研磨→切割→芯片→成品測(cè)試。
在生長(zhǎng)成外延片后，下一步就開始對(duì)LED外延片做電極(P極，N極)，接著就開始用激光機(jī)或鉆石刀切割LED外延片，制造成芯片后，然后在晶圓上的不同位置抽取九個(gè)點(diǎn)做參數(shù)測(cè)試。這主要是對(duì)電壓、波長(zhǎng)、亮度進(jìn)行測(cè)試，符合正常出貨標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的晶圓片繼續(xù)下一步的操作，不符合要求的，就放在一邊另行處理。晶圓切割成芯片后，需要100%的目檢(VI/VC)，操作者要在放大30倍數(shù)的顯微鏡下進(jìn)行目測(cè)。接著使用全自動(dòng)分類機(jī)根據(jù)不同的電壓、波長(zhǎng)、亮度的預(yù)測(cè)參數(shù)對(duì)芯片進(jìn)行全自動(dòng)化挑選、測(cè)試和分類。最后對(duì)LED芯片進(jìn)行檢查(VC)和貼標(biāo)簽。芯片類型、批號(hào)、數(shù)量和光電測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)記錄在標(biāo)簽上，附在蠟光紙的背面。藍(lán)膜上的芯片將做最后的目檢測(cè)試，目檢標(biāo)準(zhǔn)與第一次相同，確保芯片排列整齊和質(zhì)量合格。
這就是LED芯片的制造流程。下面看一下電路設(shè)計(jì)如何保護(hù)芯片。
靜電放電是CMOS電路中最為嚴(yán)重的失效機(jī)理之一，嚴(yán)重的會(huì)造成電路自我燒毀。本文論述了CMOS集成電路ESD保護(hù)的必要性，研究了在CMOS電路中ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，分析了該結(jié)構(gòu)對(duì)版圖的相關(guān)要求，重點(diǎn)討論了在I/O電路中ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。
1、引言
靜電放電會(huì)給電子器件帶來破壞性的后果，它是造成集成電路失效的主要原因之一。隨著集成電路工藝不斷發(fā)展，CMOS電路的特征尺寸不斷縮小，管子的柵氧厚度越來越薄，芯片的面積規(guī)模越來越大，MOS管能承受的電流和電壓也越來越小，而外圍的使用環(huán)境并未改變，因此要進(jìn)一步優(yōu)化電路的抗ESD性能，如何使全芯片有效面積盡可能小、ESD性能可靠性滿足要求且不需要增加額外的工藝步驟成為IC設(shè)計(jì)者主要考慮的問題。
2、ESD保護(hù)原理
ESD保護(hù)電路的設(shè)計(jì)目的就是要避免工作電路成為ESD的放電通路而遭到損害，保證在任意兩芯片引腳之間發(fā)生的ESD，都有適合的低阻旁路將ESD電流引入電源線。這個(gè)低阻旁路不但要能吸收ESD電流，還要能箝位工作電路的電壓，防止工作電路由于電壓過載而受損。在電路正常工作時(shí)，抗靜電結(jié)構(gòu)是不工作的，這使ESD保護(hù)電路還需要有很好的工作穩(wěn)定性，能在ESD發(fā)生時(shí)快速響應(yīng)，在保護(hù)電路的同時(shí)，抗靜電結(jié)構(gòu)自身不能被損壞，抗靜電結(jié)構(gòu)的負(fù)作用(例如輸入延遲)必須在可以接受的范圍內(nèi)，并防止抗靜電結(jié)構(gòu)發(fā)生閂鎖。
3、CMOS電路ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
大部分的ESD電流來自電路外部，因此ESD保護(hù)電路一般設(shè)計(jì)在PAD旁，I/O電路內(nèi)部。典型的I/O電路由輸出驅(qū)動(dòng)和輸入接收器兩部分組成。ESD通過PAD導(dǎo)入芯片內(nèi)部，因此I/O里所有與PAD直接相連的器件都需要建立與之平行的ESD低阻旁路，將ESD電流引入電壓線，再由電壓線分布到芯片各個(gè)管腳，降低ESD的影響。具體到I/O電路，就是與PAD相連的輸出驅(qū)動(dòng)和輸入接收器，必須保證在ESD發(fā)生時(shí)，形成與保護(hù)電路并行的低阻通路，旁路ESD電流，且能立即有效地箝位保護(hù)電路電壓。而在這兩部分正常工作時(shí)，不影響電路的正常工作。
常用的ESD保護(hù)器件有電阻、二極管、雙極性晶體管、MOS管、可控硅等。由于MOS管與CMOS工藝兼容性好，因此常采用MOS管構(gòu)造保護(hù)電路。
CMOS工藝條件下的NMOS管有一個(gè)橫向寄生n-p-n(源極-p型襯底-漏極)晶體管，這個(gè)寄生的晶體管開啟時(shí)能吸收大量的電流。利用這一現(xiàn)象可在較小面積內(nèi)設(shè)計(jì)出較高ESD耐壓值的保護(hù)電路，其中最典型的器件結(jié)構(gòu)就是柵極接地NMOS(GGNMOS，GateGroundedNMOS)。
在正常工作情況下，NMOS橫向晶體管不會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)ESD發(fā)生時(shí)，漏極和襯底的耗盡區(qū)將發(fā)生雪崩，并伴隨著電子空穴對(duì)的產(chǎn)生。一部分產(chǎn)生的空穴被源極吸收，其余的流過襯底。由于襯底電阻Rsub的存在，使襯底電壓提高。當(dāng)襯底和源之間的PN結(jié)正偏時(shí)，電子就從源發(fā)射進(jìn)入襯底。這些電子在源漏之間電場(chǎng)的作用下，被加速，產(chǎn)生電子、空穴的碰撞電離，從而形成更多的電子空穴對(duì)，使流過n-p-n晶體管的電流不斷增加，最終使NMOS晶體管發(fā)生二次擊穿，此時(shí)的擊穿不再可逆，則NMOS管損壞。
為了進(jìn)一步降低輸出驅(qū)動(dòng)上NMOS在ESD時(shí)兩端的電壓，可在ESD保護(hù)器件與GGNMOS之間加一個(gè)電阻。這個(gè)電阻不能影響工作信號(hào)，因此不能太大。畫版圖時(shí)通常采用多晶硅(poly)電阻。
只采用一級(jí)ESD保護(hù)，在大ESD電流時(shí)，電路內(nèi)部的管子還是有可能被擊穿。GGNMOS導(dǎo)通，由于ESD電流很大，襯底和金屬連線上的電阻都不能忽略，此時(shí)GGNMOS并不能箝位住輸入接收端柵電壓，因?yàn)樽屳斎虢邮斩藮叛趸鑼拥碾妷哼_(dá)到擊穿電壓的是GGNMOS與輸入接收端襯底間的IR壓降。為避免這種情況，可在輸入接收端附近加一個(gè)小尺寸GGNMOS進(jìn)行二級(jí)ESD保護(hù)，用它來箝位輸入接收端柵電壓，如圖1所示。
圖1常見ESD的保護(hù)結(jié)構(gòu)和等效電路
在畫版圖時(shí)，必須注意將二級(jí)ESD保護(hù)電路緊靠輸入接收端，以減小輸入接收端與二級(jí)ESD保護(hù)電路之間襯底及其連線的電阻。為了在較小的面積內(nèi)畫出大尺寸的NMOS管子，在版圖中常把它畫成手指型，畫版圖時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵循I/OESD的設(shè)計(jì)規(guī)則。
如果PAD僅作為輸出，保護(hù)電阻和柵短接地的NMOS就不需要了，其輸出級(jí)大尺寸的PMOS和NMOS器件本身便可充當(dāng)ESD防護(hù)器件來用，一般輸出級(jí)都有雙保護(hù)環(huán)，這樣可以防止發(fā)生閂鎖。
