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静电对LED芯片的危害有多大?

2017-11-09 09:34 来源:高工LED 关注度:6648次 字体:   原创申明 投稿
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在LED行业,似乎将静电当成了损坏LED的头号大敌。但真的是这样的吗?

  在LED行业,似乎将静电当成了损坏LED的头号大敌。但本人却不这么认为。

  1、静电的产生机理

  通常,静电的产生是由于摩擦或感应而产生。

  摩擦静电是由于两个物体接触摩擦或分离过程中产生电荷的移动而产生。导体间的摩擦留下的静电通常比较弱,这是由于导体的导电能力强,摩擦产生的离子会在摩擦过程中及终止时很快运动到一起而中和。而绝缘体摩擦后,可能会产生较高的静电电压,但是电荷量却很小。这是由于绝缘体本身的物理结构决定的。绝缘体的分子结构中,电子很难脱离原子核的束缚自由移动,所以,摩擦结果也只能产生少量的分子或原子电离。

  感应静电是物体处于电场之中,受电磁场的作用,物体中的电子发生移动而形成电场。感应静电一般只能在导体上产生。空间电磁场对绝缘体的作用可以忽略。

  2、静电的放电机理

  220V的市电可以打死人,可人们身上上千伏的电压却打不死人,是何道理? 电容两端的电压满足下列公式:U=Q/C。根据这个公式可以知道,当电容量很小时,很少的电荷量,就会产生很高的电压。通常我们的身体、身边的物体,电容都非常小,当产生电荷后,很少的电荷量,也会产生很高的电压。由于电荷量很少,放电时,形成的电流非常小,时间非常短,电压不能维持,极短的时间就降下来。由于人体不是绝缘体,所以,身体各处积累的静电荷,在有放电通路的情况下,都会汇集过来,所以感觉电流大些,有电击的感觉。人体、金属物品等导体在产生静电后,放电电流会比较大。

  对于绝缘性能好的材料,一个是产生的电荷量非常小,另一方面,产生的电荷,很难流动。电压虽然高,但某处有放电通路时,只是接触点及附近极小范围内的电荷可以流动放电,非接触点的电荷则不能放电(谁叫它是绝缘体呢)。故而,就是有上万伏的电压,放电能量也是微乎其微的。如图8所示。

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  所以,虽然塑料周转箱、包装泡沫上、化纤地毯等的静电电压非常高,其实放电能量非常小。

  3、静电对电子元器件的危害

  静电会对LED有危害,并不是LED独有的“专利”,就是用硅材料制造的常用的二极管、三极管,也都会受到威胁。甚至建筑、树木、动物都可能被静电损害(雷电就是一种静电,我们这里就不去考虑它了)。

  那么,静电是怎么对电子元件损害的呢?我也不要扯得太远,就只讲半导体器件的问题,而且就局限于二极管、三极管、IC、LED方面。

  电对半导体元器件的损坏,最终是有电流的参与。在电流的作用下,由于热而损坏器件。要有电流,就要有电压。但是,半导体二极管有PN结,无论是正向还是反向,PN结都会有阻挡电流的一个电压范围。正向势垒低,反向势垒则要高很多。在一个电路中,哪里的电阻大,电压就在哪里集中。但就来看LED,电压正向加给LED时,当外电压小于二极管的阈值电压(大小与材料禁带宽度对应),没有正向电流,电压全部加在PN结上。电压反向加给LED时,当外电压小于LED的反向击穿电压时,电压也是全部加在PN结上,此时,LED的虚焊点也罢,支架也罢、P区也罢、N区也罢,统统都没有电压降!因为没有电流。当着PN结击穿后,外电压才会由电路上的所有电阻分担。哪个地方电阻大,哪个部分承担的电压就高。就LED而言,自然是PN结承担了大部分电压。在PN结上产生的热功率就是它上面的压降乘以电流值。若是电流值不加限制,过高的热量就会将PN结烧坏,PN结失去作用而穿通。

  IC为什么会比较怕静电,因为,IC中的每个元件的面积非常小,每个元件的寄生电容也就非常小(往往电路功能就要求寄生电容非常小),所以,少量的静电电荷就会产生很高的静电电压,而且每个元件的功率耐量通常也很小,所以,静电放电就很容易损坏IC。但是通常的分立元件,如普通的小功率二极管、小功率三极管都不是非常怕静电,因为它们芯片的面积比较大,寄生电容也比较大,一般的静定不容易在它们上面积累高电压。小功率的MOS管,由于栅极氧化层很薄,寄生电容小,所以很容易遭静电损坏,通常会在封装完成后将三个电极短路后出厂。使用中也常要求在焊接完成后再去掉短路线。而大功率的MOS管,由于芯片面积大,一般的静电也不会损坏它们。所以你会看到,现在功率MOS管的三个电极是没有短路线保护的(早期制造厂还是将它们短路后出厂的)。

  LED实际就是有个二极管,它的面积相对IC内的每个元件来讲,是非常大的。所以LED的寄生电容相对来说也是比较大的。所以,一般场合的静电并不能损坏LED。

  一般场合的静电,尤其是绝缘体上产生的静电,电压会很高,但放电电荷量极微,而且放电电流持续时间很短。而导体上感应的静电,电压可能不是很高,但是放电电流却可能很大,而且往往是持续的电流。这样对电子元件的危害就非常大。

  4、为何说静电对LED的损害不常发生呢

  先来看一个试验现象。一块金属铁板上带有500V的静电,将LED放到金属板上(放的方法要注意,避免下述的问题发生),大家说LED会被损坏吗?这里,LED要被损坏,通常应该是被加上大于其击穿电压的电压,也就是说LED的两个电极要同时接触金属板,并具有大于击穿电压的电压。由于铁板是良导体,其上各处的感应电压相等,所谓500V的电压是相对于地而言的,所以,LED两电极间是没有电压的,自然也就不会受到任何损伤了。除非,你将LED的一个电极接触铁板,另一个电极你用导体(未戴绝缘手套的手或导线)连接到地或其它导体上。

  上面的试验现象提示我们,LED在静电场中时,必须是一个电极接触静电体,另一个电极要接触地或其它导体才可能受损。在实际生产和应用中,以LED那么小的体积,很少有机会发生那样的事情,尤其是批量发生那样的事情。偶然的事件是可能的。比如,LED处于静电体上,且一个电极接触到静电体,另一个电极刚好是悬空的,此时有人去触及了悬空的那个电极,就可能损伤LED。

  上面的现象告诉我们,静电问题也不是可以忽视的。 静电放电是要有导电回路的,不是有静电就有损害。当着仅有极少量的漏电问题发生,可以考虑静电偶然损坏问题。若是大量发生,则更多的可能是芯片沾污或应力的问题。


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