静电测试技术在LED品质提升的应用

              
一、前言

LED应用已扩大至各个领域，包含LCD Backlight、手机Backlight、号志灯、艺术照明、建筑物照明及舞台灯光控制、家庭照明等领域，根据DIGITIMES Reasearch调查，2010~2015的需求成长高达30%，因此促使LED产能的大幅增加。随着LED应用环境的多元复杂化，LED下游商对上游晶粒品质的要求日趋严苛，如LED耐静电测试(Electrostatic Discharge, ESD)的电压值就从原本4kV要求，逐渐提高到8kV，以容忍户外的恶劣环境。所以高压LED耐静电测试为目前LED晶粒点测机中，急待开发的关键模组。

环境中各种不同模式的静电，包含人体静电或机械静电，均会对LED造成损坏。当静电通过感应或直接触碰于LED的两个引脚上的时候，电位差将直接作用在LED两端，而电压超过LED的承受值时，静电电荷以极短时间内在LED两个电极间进行放电，造成LED绝缘部位损坏，产生漏电或短路等现象。所以固态技术协会JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council)于JESD22-A114E、JESD22-A115A中，制定人体静电放电模式(Human Body Model，HBM)与机器装置放电模式(Machine model，MM)的测试规范，来确保LED产品的品质。但购买国外高压产生器搭配充放电切换电路，并整合Prober与自动化移动平台主要缺点为反应速度慢(0至4kV上升时间500ms)，且未考量探针的高压绝缘，所以有晶粒分类速度慢及测试波型稳定性不足等严重问题，常会击穿LED或充放电模组，如图1，或机台高压测试性不足，出货后仍被高压静电损坏，直接影响LED成品品质。加上晶圆上2万~4万颗晶粒测量的时间常费时超过1小时，需要缩短检测时间以提高产能。因此本文透过开发针高速大动态范围LED晶圆静电量测模组，于高速多电压切换高压产生组件设计使用动态范围控制电路与PID回授控制，以高电压动态范围(250V-8kV)及高速静电测试(80ms)，如图2A与图2B，来满足国内LED产业需求，达成降低成本与关键模组自制化之目的。

图1 LED遭静电损害

图2A  高速大动态范围静电量测模组短路静电测试电流波形

图2B  高速多电压切换高压产生组件电测试输出电压波形

二、LED晶圆静电量测模组系统架构
 
本文开发高速大动态范围LED晶圆静电量测模组如图3，针对晶粒的耐静电电压进行全检测试，依LED耐静电电压的大小，进行LED级别分类。此静电点测全检模组包含测试高速多电压切换高压产生组件、探针组件、充放电组件、软件分类组件。以测试探针平台移动两探针接触待测LED之正负电极上，高速多电压切换高压产生组件依软件电控程式设定产生人体静电放电模式或机器装置放电模式测试电压准位，充放电模组储存高压产生器电荷后对待测LED进行静电耐压测试，最后软件分类组件显示静电测试结果。本技术针对现有国内LED晶圆静电量测模组动态范围不足(500V至4000V)与国外模组电压切换时间过慢(0V至4kV上升时间约500ms)之问题，设计成高速大动态范围LED晶圆静电量测模组，使输出电压可涵盖规范静电分类之最小电压250V至最大电压8000V大动态范围﹔并缩短低电压切换至高电压上升时间至80ms以内，以达高速与大动态范围LED晶粒线上检测与分类目的。

图3  高速大动态范围LED晶圆静电量测模组系统图

各主要组件设计考虑要点如下:

1. 测试探针组件设计部份

测试探针组件用于传送电压与电流，探针外绝缘保护可防止漏电流产生，进而提高静电量测准确度。

绝缘设计上分为分为内绝缘和外绝缘两大类。内绝缘为模组内部的绝缘。包括固体介质的绝缘以及由不同介质构成的组合绝缘。虽然外部大气条件对内绝缘基本没有影响，但材料的老化、高温、连续加热以及受潮等因素对内绝缘的绝缘强度却有不利的影响，同时内绝缘若发生击穿，它的绝缘强度也不能自行恢复。外绝缘则指在直接与大气相接触的条件下工作，所形成的各种不同形式的绝缘，包括空气间隙和模组固体绝缘的外露表面。外绝缘的突出特点是在放电停止后，其绝缘强度通常能迅速地完全恢复，并与重复放电的次数无关。而外绝缘的绝缘强度和外部大气条件密切相关，会受大气温度、压力、湿度等多种因素的影响；以大气为例，一般大气中的绝缘强度约30kV/cm，有水滴存在时约为10kV/cm，温度由室温上升至摄氏100度时，绝缘强度降为80%，因此设计上将由温湿度造成估算材料绝缘强度变化范围，并以此设计耐压所需保留之安全间距。

探棒绝缘检测可以绝缘强度试验来确定。试验包括耐压试验和击穿试验两种。耐压试验是对试件施加一定电压，经过一段时间后，以是否发生击穿作为判断试验合格与否的标准。击穿试验是在一定条件下逐渐增高施加于试件上的电压，直到试件发生击穿为止。

2. 高速多电压切换高压产生组件与充放电组件

此组件部份设计包括控制回路稳定性设计与干扰防制，控制回路稳定性工作包括元件模型建立、稳定性条件分析、回路稳定性测试等。干扰防制方法为降低寄生电容，电路板寄生电容值大小值与电路板布线线路几何位置、线路宽度、电路板绝源材质有关，为降低线路寄生电容于设计时首先将易受干扰点标示，走线时以此标示点位置为优先布线考量，不易受干扰线路最后布线。

3. 软件组件部份

控制探针下针位置，触发高压产生器的充放电模组，控制输入的电压充电完成后对待测LED放电并量测结果显示。

三、LED晶圆静电量测模组系统组装与测试结果

完成高压产生器交流电压调变电路设计制作如图4，使用高压探棒实际量测交流电压振幅峰对峰6.26kV－最大交流振幅:3.13kV，测试验证结果直流电压值最大值8.08kV ，于8kV电压经由短路输出端短路电流测试于放电电阻:1500 Ω +/- 1%条件下，峰值电流达5.46A (理论值:8000/1500=5.33)。完成LED静电点测模组规格验证于静电电压4Kv并于以下测试条件:

(1)常温、常湿、大气环境下

(2)测试探棒:频宽大于1 GHz电流探棒

(3)充电电容:100 pF +/- 10% (effective capacitance)

(4)放电电阻:1500 Ω +/- 1%

重复量测HBM短路峰值电流5次结果如下:

峰值电流量测理论值2.66A于一小时后峰值电流2.70A，偏移量1.5%，满足测试规范峰值电流2.40~2.96A@4kV与HBM负载短路上升时间2.0~10ns@4kV。

图4 高压产生器完成电路模组

四、结论

本文对所开发高速大动态范围LED晶圆静电量测模组，使输出电压可涵盖规范静电分类之最小电压250V至最大电压8000V大动态范围﹔并缩短低电压切换至高电压上升时间至80ms以内，未来将进行小型试量产与至客户端进行耐久测试，并视商品化需求进行修改，以达高速与大动态范围LED晶粒线上检测与分类目的。于应用方面除可用于LED静电测试外主，搭配探针点测技术可应用于半导体BGA、CSP(Chip Scale Package)、FC(Flip Chip)微小元件晶圆静电测试。进一步应用包括可用于X-ray Tubes、Photomultiplier Tubes、Electron Beam Focusing等。

（作者：工研院量测中心/涂钟范）