一、前言

LED應用已擴大至各個領域，包含LCD Backlight、手機Backlight、號誌燈、藝術照明、建築物照明及舞台燈光控制、家庭照明等領域，根據DIGITIMES Reasearch調查，2010~2015的需求成長高達30%，因此促使LED產能的大幅增加。隨著LED應用環境的多元複雜化，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，急待開發的關鍵模組。

環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於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，產生漏電或短路等現象。所以固態技術協會JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council)於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)的測試規範，來確保LED產品的品質。但購買國外高壓產生器搭配充放電切換電路，並整合Prober與自動化移動平台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，或機台高壓測試性不足，出貨後仍被高壓靜電損壞，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能。因此本文透過開發針高速大動態範圍LED晶圓靜電量測模組，於高速多電壓切換高壓產生組件設計使用動態範圍控制電路與PID回授控制，以高電壓動態範圍(250V-8kV)及高速靜電測試(80ms)，如圖2A與圖2B，來滿足國內LED產業需求，達成降低成本與關鍵模組自製化之目的。

圖1 LED遭靜電損害

圖2A  高速大動態範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生組件電測試輸出電壓波形

二、LED晶圓靜電量測模組系統架構
 
本文開發高速大動態範圍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生組件、探針組件、充放電組件、軟體分類組件。以測試探針平台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生組件依軟體電控程式設定產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生器電荷後對待測LED進行靜電耐壓測試，最後軟體分類組件顯示靜電測試結果。本技術針對現有國內LED晶圓靜電量測模組動態範圍不足(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，設計成高速大動態範圍LED晶圓靜電量測模組，使輸出電壓可涵蓋規範靜電分類之最小電壓250V至最大電壓8000V大動態範圍﹔並縮短低電壓切換至高電壓上升時間至80ms以內，以達高速與大動態範圍LED晶粒線上檢測與分類目的。

圖3  高速大動態範圍LED晶圓靜電量測模組系統圖

各主要組件設計考慮要點如下:

1. 測試探針組件設計部份

測試探針組件用於傳送電壓與電流，探針外絕緣保護可防止漏電流產生，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後，其絕緣強度通常能迅速地完全恢復，並與重複放電的次數無關。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範圍，並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，經過一段時間後，以是否發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於試件上的電壓，直到試件發生擊穿為止。

2. 高速多電壓切換高壓產生組件與充放電組件

此組件部份設計包括控制回路穩定性設計與干擾防制，控制回路穩定性工作包括元件模型建立、穩定性條件分析、迴路穩定性測試等。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佈線線路幾何位置、線路寬度、電路板絕源材質有關，為降低線路寄生電容於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先佈線考量，不易受干擾線路最後佈線。

3. 軟體組件部份

控制探針下針位置，觸發高壓產生器的充放電模組，控制輸入的電壓充電完成後對待測LED放電並量測結果顯示。

三、LED晶圓靜電量測模組系統組裝與測試結果

完成高壓產生器交流電壓調變電路設計製作如圖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 ，於8kV電壓經由短路輸出端短路電流測試於放電電阻:1500 Ω +/- 1%條件下，峰值電流達5.46A (理論值:8000/1500=5.33)。完成LED靜電點測模組規格驗證於靜電電壓4Kv並於以下測試條件:

(1)常溫、常濕、大氣環境下

(2)測試探棒:頻寬大於1 GHz電流探棒

(3)充電電容:100 pF +/- 10% (effective capacitance)

(4)放電電阻:1500 Ω +/- 1%

重覆量測HBM短路峰值電流5次結果如下:

峰值電流量測理論值2.66A於一小時後峰值電流2.70A，偏移量1.5%，滿足測試規範峰值電流2.40~2.96A@4kV與HBM負載短路上升時間2.0~10ns@4kV。

圖4 高壓產生器完成電路模組

四、結論

本文對所開發高速大動態範圍LED晶圓靜電量測模組，使輸出電壓可涵蓋規範靜電分類之最小電壓250V至最大電壓8000V大動態範圍﹔並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與至客戶端進行耐久測試，並視商品化需求進行修改，以達高速與大動態範圍LED晶粒線上檢測與分類目的。於應用方面除可用於LED靜電測試外主，搭配探針點測技術可應用於半導體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於X-ray Tubes、Photomultiplier Tubes、Electron Beam Focusing等。

（作者：工研院量測中心/涂鐘範）