led灯具芯片的趋额电应力防护设计

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1、LED灯具芯片的趋额电应力防护设计何鹏刘自力李鹏(天津施莱德照明器材公司，天津300000)1引言目前大部分的LED灯具设计师在设计灯具时对灯具的散热设计、配光设计、电气控制设计十分注意，但并没有认识到LED芯片的过电应力冲击(electricaloverstress—EOS)防护设计的重要性，认为LED灯具的EOS防护设计不但不是LED灯具的必须组成部分而且还会增加成本。然而过电应力冲击是在实际使用中灯具内LED芯片失效的主要原因之一，因而LED灯具设计工程师必须考虑在满足灯具外形尺寸、成本、照明效果等要求的前提下，为LED灯具提供最有效的EOS保护设计。

2、以下就LED灯具EOS的故障现象、产生原因、解决办法予以简单论述。2LED的EOS故障现象EOS指所有的过度电性应力，是指电子元件被施加的电流或电压超过该元件的最大规范条件时，其性能会减弱或损坏，LED损坏与EOS的次数或持续时间长短无关，因为任何一次EOS事件都可能导致LED损坏。这种损坏可以表现为器件立即失效，也可能在发生EOS事件后许久后才失效。LED芯片的小型化和LED灯具内部电器结构的复杂化正使这一问题变得更加严重。灯具内LED芯片的EOS故障主要有以下两种表现现象:2.1焊接线损坏EOS导致的第一种失效模式是LED封装内部的焊接线受损，如图1所示

3、。这种损坏通常表现为接线烧断。此外，EOS事件还能导致靠近焊接线的其他材料损坏，例如密封材料或荧光体。2.2焊盘附近损坏EOS导致的另一种失效模式是LED芯片本体靠近焊盘的位置受损，如图2所示。图1接线烧毁图2LED芯片损坏3LED发生EOS故障的主要原因LED芯片发生EOS故障的原因有多种，包括过电压、闪电、来自其他设备的脉冲信号干扰、灯具组装时不恰当的工作方法、接地点不够导致电流快速转换引起高电压等情况都会引起EOS故障。但以下两种情况是LED灯具生产与使用过程中造成EOS故障的主要原因:1)静电放电electrostaticdischarge(ESD)

4、，静电放电是大多数电子元件在生产、运输、加工过程中不可避免的风险，虽然目前大多数的LED芯片自身已经包含防静电干扰的设计(一般为2kV)，但静电放电依旧是LED芯片在灯具生产环节损坏的主要原因。2)短时间的过负荷，即短时间内LED的输入电压或电流超过其额定值(浪涌电压或雷击)，它们发生时只持续极短的时间，通常不会超过一秒钟，类似的电压或电流称为尖峰电压或尖峰电流。短时间的过负荷是LED芯片在灯具正常使用过程中损坏的主要原因。4EOS故障的解决办法4.1静电放电对LED损伤的解决办法静电放电是LED芯片的一个隐形杀手，LED灯具生产过程中每一阶段的每一细小步骤

5、都可能使LED受到静电的损伤，静电防护就是消除静电或把静电电压控制在允许的范围内，使它不致产生危害。生产过程中静电防护的主要措施为静电泄露、耗散、中和、增湿，屏蔽与接地。为了达到防静电的目的，LED灯具的生产环节应主要创造以下五个方面的基本条件:Ⅰ.保证车间生产人员的静电防护;Ⅱ.保证车间生产设备的静电防护;Ⅲ.努力使生产车间和周围环境达到防静电要求;Ⅳ.制定静电防护用品的技术标准，保证防护用品的质量;Ⅴ.完善制度，制定操作规范，建立起严格的内审检查制度，确保该体系得以实施，注重对员工的技术培训。在生产工艺方面，目前生产中关于电子零部件静电防护的技术已经比较

6、成熟，关键是各项规章制度的严格执行。在元器件设计方面，大多数LED芯片自身包含防静电干扰的设计(即把静电保护元件设计到LED器件内)，例如CREE品牌的部分型号的大功率LED，设计者在硅片上，设计有静电保护二极管，这时硅片不但作为GaN的承载基体还起到静电防护的作用，采用这种芯片封装设计的LED静电防护可以达到2kV。因此只要依照防静电的各项制度要求进行操作，将静电防护工作当做一项长期的系统工程，防止任何环节的失误或疏漏，加上LED芯片有一定的防静电干扰功能，在生产过程中可以有效的防止静电放电对LED的损伤。4.2LED芯片短时间过负荷的解决方法预防尖峰电压

7、或尖峰电流等LED短时间过负荷现象常用的器件有气体放电管、金属氧化物压敏电阻、硅瞬变电压吸收二极管、热敏电阻器等几种。目前实用的LED灯具防过负荷的设计方案分为两种，第一种为保险丝、压敏电阻组合形成的电源输入端保护电路，一般用在LED灯具电控系统的输入端，防止在正常运行时由于电源原因造成的LED故障;第二种为NTC(NegativeTemperatureCoefficient)负温度系数热敏电阻器过负荷保护电路，一般串联在LED芯片组成的照明电路中，防止LED灯具通电时造成的LED损伤。以下对这两种方法分别予以讨论:Ⅰ.如何防止在正常运行时由于电源原因造成的

8、LED故障压敏电阻也称为“突波吸收器”是一种具有电压