I LED sono componenti semiconduttori e di conseguenza esposti ad una scarica ESD. Un LED esposto a un evento ESD può essere parzialmente degradato, ma continuare a svolgere la sua funzione; tuttavia, la vita operativa può essere ridotta drasticamente.
Le scariche elettrostatiche sono da sempre un problema importante nell'industria dei semiconduttori e sono fonte di danneggiamento dei dispositivi. Si manifestano attraverso il trasferimento di cariche tra corpi o superfici a diverso potenziale elettrostatico e l’ampiezza dell’evento è legata alla differenza di potenziale tra i due corpi tra i quali si manifesta.
La normativa che ha per obiettivo la protezione di dispositivi elettronici dai fenomeni Elettrostatici si prefigge di garantire il collegamento equipotenziale all’interno di un’area EPA.
I potenziali massimi prescritti sono di 100 Volt per Human Body Voltage (HBV) e di 200 volt per Charged Device Model (CDM).
Il controllo del fenomeno elettrostatico inizia con la comprensione di come si verifica la scarica elettrostatica. La condizione favorevole alla formazione di cariche elettrostatiche è ad esempio comunemente creata dal contatto e dalla separazione di due materiali isolanti. Una persona che cammina sul pavimento genera elettricità statica quando le suole delle scarpe entrano in contatto e poi si separano dalla superficie del pavimento. Un dispositivo elettronico che scorre dentro o fuori da un contenitore non ESD, genera una carica elettrostatica poiché sono esercitati ripetuti contatti e separazioni tra dispositivo e superficie del contenitore.
Il livello di disturbi ESD che può essere generato e introdotto nel semiconduttore durante l’assemblaggio, è molto più grave del livello riscontrato nell'ambiente controllato della sua produzione. È importante ricordare che la sopravvivenza del dispositivo attraverso il processo di produzione non garantisce la sopravvivenza nelle fasi di assemblaggio.
Dovrebbe essere chiaro che molti eventi ESD si verificano senza una scintilla visibile o udibile. Una persona che trasporta una carica elettrica relativamente piccola potrebbe non avvertire il verificarsi di una scarica dannosa per i componenti semiconduttori.
Alcuni dispositivi a semiconduttore (famiglia a cui appartengono i LED) possono essere danneggiati da scariche anche di solo 12 Volt. Queste forme invisibili di ESD possono causare guasti catastrofici del dispositivo o forme meno evidenti di degrado (difetto latente), che possono influire sull'affidabilità e sulle prestazioni a lungo termine dei dispositivi elettronici. Il degrado in alcuni dispositivi potrebbe non essere evidente per buona parte della loro vita utile, ma solo in presenza di eventi particolari.
Un difetto latente, rispetto al catastrofico, è più difficile da identificare Un prodotto o un sistema che incorpora dispositivi con difetti latenti può subire un guasto prematuro dopo la sua messa in servizio.
Usualmente la maggior parte dei danni diventa visibile dopo un breve periodo di funzionamento. In particolare, per le installazioni di difficile accesso è consigliato un test di funzionamento di circa un’ora e un burn-in di 48-72 ore.
I LED e gli eventi ESD
I LED possono essere danneggiati così gravemente dall'ESD da subire un guasto catastrofico. Possono andare in cortocircuito o può aprirsi il collegamento al loro interno, in entrambi i casi non emettono più luce. Se un LED completamente guasto è parte di una scheda lighting dove tutti i LED sono collegati in serie, anche gli altri non si accenderanno, indipendentemente dal fatto che non siano danneggiati.
Se il LED è in cortocircuito, solo quel LED non si accenderà, il resto della stringa continua a funzionare regolarmente. A seconda della configurazione del circuito, ciò potrebbe mettere a dura prova il resto dei componenti, e non sempre questo può essere visibile immediatamente dopo che si è verificato il danno.
Tutti coloro che gestiscono dispositivi sensibili alle scariche elettrostatiche devono essere a conoscenza della protezione da adottare e non entrare mai in un’area EPA senza le opportune precauzioni di sicurezza. L’adozione di misure di sicurezza riguarda tutti i reparti in cui sono gestiti i LED dal ricevimento all’incaming inspection, dal kitting alla linea di assemblaggio, dal test al packaging finale.
I danni da ESD possono essere causati dalla presenza di materiali isolanti, che possono caricarsi staticamente durante la movimentazione causando danni al semplice contatto. Lo stesso si può dire per il contatto umano, perché le persone non adeguatamente abbigliate e protette possono scaricarsi sul dispositivo direttamente, o attraverso altri componenti.
Le schede LED potrebbero dover essere alloggiate in corpi illuminanti fatti in normale plastica; in questo caso, per ridurre i rischi, si opera sotto uno ionizzatore il cui compito è appunto di neutralizzare le cariche.
Lo ionizzatore produce miliardi di particelle cariche che, opportunamente direzionate, vanno a neutralizza la carica statica accumulata sui materiali isolanti.
Dilatazione termica ed EOS nei LED
Se un LED si spegne improvvisamente è importante capire le cause del problema per evitare che si ripresenti e la prima azione da fare è ovviamente testarlo, in ultima analisi un LED è solo un diodo,
Una delle principali cause di apertura del circuito elettrico in un LED è lo stress termomeccanico del wire bond rispetto al die. La rottura del giunto di saldatura del filo sul die può essere visualizzata con un buon microscopio o utilizzando un sistema a raggi X.
I coefficienti di dilatazione termica tra le varie componenti che costituiscono il LED, potrebbero differire quel tanto da generare rotture. A temperature elevate, le diverse forze dei materiali in espansione possono mettere in tensione il filo, strappandolo dalla superficie del die, specialmente se il componente viene stressato termicamente per un periodo di tempo prolungato.
Un'altra causa di guasti elettricamente aperti, in particolare sui LED con substrati in zaffiro (più comune nei LED blu e bianchi) è, oltre alla comune scarica elettrostatica, l’electrical overstress (EOS) sul die. L'impulso con polarizzazione diretta passa attraverso il LED senza danni, ma un impulso con polarizzazione inversa può rivelarsi catastrofico. È importante verificare la presenza di questo meccanismo di guasto nei dispositivi non schermati, quando non è visibile l'apertura tra il die e il collegamento del filo. Per quanto riguarda le aperture generate da EOS, possono indurre la fusione del filo di wire bond a causa dell’elevata sovracorrente.
Misure di prevenzione ESD
La progettazione di un’area EPA e di adeguati sistemi per la movimentazione di componenti e schede elettroniche è una delle fasi più importanti per assicurare la protezione da eventi ESD. Conseguentemente l’utilizzo di materiali idonei deve necessariamente garantire l’efficienza dei sistemi di protezione utilizzati sia nelle condizioni critiche sia nel tempo.
Mentre la gestione dei sistemi passivi e della movimentazione viene spesso assolta da buona parte delle organizzazioni esposte ad eventi ESD, la corretta manipolazione degli isolanti rappresenta un elemento estremamente critico in quanto non tutti i responsabili ESD dispongono di strumentazione adatta e sono stati formati per identificare i rischi ESD introdotti dagli isolanti di processo.
La migliore prevenzione è quella di dotare il personale coi dispositivi adeguati: abbigliamento ESD, braccialetto di messa a terra, calzature conduttive (in presenza di pavimentazione ESD). che devono essere indossati su entrambi i piedi per garantire un contatto costante col pavimento.
Tutto il personale deve essere collegato elettricamente a terra quando maneggia oggetti sensibili alle scariche elettrostatiche. La messa a terra è una misura molto importante per garantire che gli elementi sensibili ESD, il personale e tutto quanto presente nell’area di lavoro sia posto allo stesso potenziale elettrico.
Su un banco di lavoro in area EPA non dovrebbero essere presenti estranei (bicchieri e bottigliette in plastica) mentre le attrezzature di lavoro devono essere rigorosamente di tipo ESD, così come i saldatori.
