Download - 靜電放電對 LED 汽車車燈光源模組性能影響之研究eportfolio.lib.ksu.edu.tw/~T093000111/repository/fetch/I9-017-靜電... · 靜電放電損害發生在人的感覺以下，因為人體對靜電放

中華民國第十六屆車輛工程學術研討會，國立臺北科技大學車輛工程系，台灣台北，2011 年 11 月 11 日。 The 16th National Conference on Vehicle Engineering, Nov. 11, 2011, National Taipei U. of Tech., Taipei, Taiwan, R.O.C. I9-017 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

靜電放電對 LED 汽車車燈光源模組性能影響之研究

李濠安 1、吳澤松 2、于劍平 3 1崑山科技大學機械工程學系暨研究所(碩士生)

2崑山科技大學機械工程學系暨研究所(助理教授) 3崑山科技大學機械工程學系暨研究所(副教授)

1E-mail: [email protected]

摘要 LED 應用在汽車照明技術科技不斷演進，新光源

的出現和人們審美觀念的變化而不斷改善，汽車燈從最

初的燃料照明、到早期的鎢絲燈泡(白熾燈)，到灌入惰性氣體的鹵素燈泡發明、再到無燈絲的 HID 車燈推出使車燈照明技術與效果得到大幅進步，到如今已步入第

四代 LED 照明時代。由於 LED 具有低耗電、體積小、以及無汞、符合環保需求等特性，因此逐漸取代單純的

車用照明，然而 LED 車燈模組製造產業，對於生產線在提高效率的同時，又要考量降低成本之因素，因而忽

略了靜電放電(Electro Static Discharge,ESD)所帶來的危害及損壞問題。一般低功率發光二極體產品具有精、

細、微小的結構特點但都有抗靜電能力差的缺點。若是

受到靜電衝擊，將會產生 Vf(正向壓降)升高，亮度衰減以致直到晶片沒有光發出來的現象，所以靜電放電損傷

的失效分析，是非常重要的研究議題。本文研究結果顯示，車燈光源模組設計時務必對

LED 進行靜電放電(ESD)的靜電模擬測試，依循規範IEC-61000-4-2，使用 LED-617HC 單晶 LED 測試機，進行電性量測分析，並利用 Nikon 立體顯微鏡及採用掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)對 LED 內部結構觀察分析，證明靜電擊穿的潛在損壞。本文研究結果，可有效規劃靜電防護機制之管理規

範同時採用具抗靜電能力之包裝材料對產品能有效改

善靜電損傷，可提供國內相關業界參考之用。關鍵詞：汽車車燈、靜電、靜電放電、發光二極體。 1. 前言

汽車燈具受靜電放電影響之研究不多，而且都著重

於靜電本身的發生原理研究，或者是針對產品本身的抗

靜電設計防護加強。有許多因素會影響電荷的積累，包

括接觸壓力、摩擦係數和分離速度等。靜電電荷會不斷

積累，直到造成電荷產生放電的作用而停止，而當電荷

被放電達到足夠的強度可以擊穿周圍物質。電介質被擊

穿後，靜電電荷會很快得到平衡，這種電荷的快速中和

就稱為靜電放電。由於在很小的電阻上快速得放電壓及

放電流會很大，可能超過 20 安培，如果這種放電通過積體電路或其他靜電敏感元件進行，這麼大的電流將針

對設計為僅導通微安或毫安培級電流的電路造成嚴重

損害。有多種模型可以用來表述器件如何受到損害，如

人體模型(HBM)、機器模型(MM)、帶電器件模型(CDM)以及電場對器件的影響等。

然而 LED 車燈光源模組廠製程的整體靜電防護，所以防止靜電損壞則較缺乏整體文獻之說明。眾所周

知，LED 是一種電發光器件，LED 封裝其基本的物理過程是電能向光能的轉變。所謂提高 LED 的功率，即是提高電輸入能量，同時又能獲得盡可能大的光功率輸

出。通常將單位輸入功率所產生的光能(光通量)謂之光電轉換功率，簡稱光效。下面是對造成亮度衰減以致直

到晶片沒有光發出來的原因作一些分析探討：我們知道

人體靜電放電可以達到三千伏左右，足可以將 LED 晶片擊穿損壞，在 LED 封裝生產線，各類設備的接地電阻是否符合要求，這也是很重要的，一般要求接地電阻

為 4 歐姆，有些要求高的場合其接地電阻甚至要達到≤2歐姆。在裝配的時候沒有做好防靜電的工作，使 LED的內部已經被靜電所傷害。儘管施加的是正常電壓和電

流值，也是極易造成 LED 的損壞。這些原因都會造成LED 電流的明顯大幅上升，很快 LED 的晶片的 PN 層就會因為過熱失效而被燒毀。根據我們的經驗，LED燒毀後多數是兩極短路，少部分是斷路。每支 LED 約有 3.2V 左右的壓降，它燒毀後若是斷路這串 LED 就不發光了。若是短路這個電壓就轉給了其他的 LED 造成其他 LED 的更大電流，其他 LED 就會更快的被燒毀，甚至危急電源，這對汽車車燈性能造成莫大的影響。[1] 2. 靜電放電(ESD)實驗分析 2.1 單晶 LED元件的靜電實驗方法

所有的物質都由原子構成，原子中有電子和質子。

當物質獲得或失去電子，它將變成帶負電或正電，這些

電荷在材料表面上積累我們就稱之物體帶上了靜電。電

荷積累通常因材料互相接觸分離而產生，也可由摩擦引

起，稱為摩擦起電。有許多因素會影響電荷的積累，包

括接觸壓力、摩擦係數和分離速度等等。靜電電荷會不

斷積累，如果沒有釋放通道，這個數值最後會達到很

高，直到造成電荷產生的作用停止、電荷被釋放或達到

足夠的強度可以擊穿周圍物質介質為止。電介質被擊穿

後，靜電電荷會很快得到平衡，這種電荷的快速中和就

稱為靜電放電。由於在很小的電阻上快速釋放電壓，釋

mailto:[email protected]�


放電流會很大，可能超過 20 安培，如果這種放電通過靜電敏感元件進行，這麼大的電流將對設計為僅導通電

壓是 3V 多和電流是 20mA 的 LED 造成嚴重傷害。所以對單晶 LED 元件嚴格管控更顯重要，然而白光 LED 實驗環境條件設定溫度為 23~25℃濕度為 50~55%，檢測步驟是先將 LED 元件真空包內取樣待測物經 WEI MIN型號為 LED-617HC 單晶 LED 測試機，如圖 1 所示，量測項目為 VF, DVF, VFD, VZ, IR, LOP, λp, HW, λc, λd, xyz, Purity, CCT；其規格有順向電壓為 8V、20V、120V；順向電流為 400mA、2000mA 逆向電壓為 200V、800V；逆向電流為 1000uA；分類數為 BIN 31、255 及多晶測試為外接多晶盒、分時測試，監控程式記錄試驗前電性

數值，進行靜電放電(ESD)的靜電耐受度測試，依循規範為 IEC-61000-4-2 靜電模擬測試器廠牌為 NOISE KEN 型號為 ESS-2002；靜電槍廠牌為 NOISE KEN 型號為 TC-815R 如圖 2 所示，即能執行接觸式靜電測試值從 8KV~30KV，依序每顆獨立測試各 1 次，如圖 3所示，再將靜電放電(ESD)實驗檢測後的 LED，再次使用單晶 LED 測試機記錄其電性數值後作差異分析，試圖找出一個具有 ESD 電性參數之最佳防護 LED 製造商，如圖 4~7 所示。[2~6]

經量測靜電放電電場或電流產生的熱破壞，使 LED使元件受傷潛在損傷，靜電的產生也有隨機性其損壞也

具有隨機性，此情況較為普遍，也很難被及時發現。

2.2 包裝材料的靜電實驗方法靜電造成的損壞絕對是很多的，然而靜電問題都是

人們沒有靜電防護意識而造成的，即使現在也有很多人

懷疑靜電放電會對電子產品造成損壞，這是因為大多數

靜電放電損害發生在人的感覺以下，因為人體對靜電放

電的感知電壓約為 3KV，而許多電子元件在幾百伏甚至幾十伏時就會損壞，通常電子器件被靜電放電損壞後

沒有明顯的界限，把元件安裝在設備上以後再檢測，結

果出現很多問題，分析也相當困難，特別是潛在損壞，

即使使用精密儀器也很難測量出其性能有明顯的變

化，但近年實驗證實，這種潛在損壞在一定時間以後，

電子產品的可靠性明顯下降。如圖 8 所示數位式靜電探測機 Sunhayato EG-5SET 對待測物距離 5cm 的非接觸式、帶電電位數位顯示；感知範圍±0~19.9KV，實驗範圍為高分子材料所生成之包裝材料及服裝和 PVC 保潔膜、低密度塑膠袋、高密度塑膠袋、氣泡袋、舒美袋取

樣驗證步驟如下： 1.取樣驗證製程生產線所使用的保護包裝材料還

有大、小氣泡袋；厚、薄舒美袋；EPE 發泡墊；PU 發泡袋等經實際量測時發現靜電值為-3.5KV~-19.9KV，如圖 9 所示。

2.驗證生產及檢驗人員的員工制服經實際測量所產生靜電值為-5KV~-18KV。

3.驗證製程包裝材料 PVC 保潔膜靜止狀態下的量測靜電值為+5KV~+15KV；又將保潔膜拉到汽車頭燈之燈殼上所產生靜電值為-14.5KV~-19.5KV；再將保潔膜覆蓋燈殼外部所產生靜電值為-15.0KV~-19.9KV 甚至超過測試機量測範圍；但量測過程發現如果汽車車燈燈

殼內部有局部份沒有覆蓋到保潔膜時靜電值顯示為

+5.0KV~+18KV，如圖 10 所示。 4.驗證製程生產線待加工之 PC 燈殼靜止狀態下還

沒有取出時量測靜電值為-11KV~-16.4KV；如果從低、高密度塑膠袋取出 PC 燈殼時量測到燈殼內部靜電值為+8KV~+19.KV；從低、高密度塑膠袋取出 PC 燈殼時量測到燈殼外部靜電值為+8KV~+18.8KV。

所以上述習知高分子材料製程包裝材料經數位式

示波器廠牌為 LeCroy 型號為 WAVESUFER 24Xs 如圖11 所示及 TEKTRONIX 高壓探棒型號為 P6015A 量測值為燈組實測撕除保潔膜造成 1.79kV 以上靜電，即時貼回保潔膜造成-1.83kV 靜電所以產生的靜電值波形相對高於 LED 車燈內光源模組可以承受到靜電損傷後的性能沒有明顯的下降，但多次累加放電會給 LED Chip造成內傷而形成隱患，因此靜電對 LED 的損傷具有潛在性，如圖 12 所示。[7~9]

3. 結果與討論 3.1 抗靜電包裝材料的實驗結果分析

從前面的分析可知靜電是由於物體接觸分離，甚至

沒有接觸的感應等方式產生的，可以存在任何時間、任

何地點都有可能產生靜電，如要完全消除靜電幾乎不可

能的，但可以採取一些措施控制靜電不造成嚴重的危

害，有必要將 LED 靜電的防護措施提高採用具有抗靜劑(antistatic agent)的抗靜電高分子材料作成之抗靜電PVC 保潔膜、抗靜電 PE 保潔膜、抗靜電 PE 高密度塑膠袋、抗靜電塑膠袋、抗靜電氣泡袋、抗靜電舒美袋、

EPE 靜電發泡墊、抗靜電 PU 發泡袋，如圖 13 所示。同時取樣使用數位式靜電探測機Sunhayato EG-5SET最直接的方式就是針對有加抗靜電劑之抗靜電 PVC 保潔膜於靜止狀態下的量測顯示靜電值為-0.5KV~-5.0KV；將抗靜電 PVC 保潔膜移動所產生摩擦帶靜電量測顯示值為-5.5KV~-19.7KV。抗靜電 PE 保潔膜靜止狀態下的量測顯示靜電值為-0.5KV~-19.7KV；將保潔膜移動所產生摩擦帶靜電量測顯示值為+0.2KV~-17.7KV。抗靜電PE 高密度塑膠袋量測顯示靜電值為 0.1KV~+5.2KV；經摩擦帶電後量測顯示靜電值為 0.2KV~+5.5KV。抗靜電紅、藍色塑膠袋量測顯示靜電值為 0KV~+2.2KV；經摩擦帶靜電量測顯示值為 0.2KV~+2.5KV。抗靜電氣泡袋量測顯示靜電值為 0.0KV~+1.0KV；經摩擦帶電後量測靜電顯示值為 0.0KV~+1.2KV。抗靜電舒美袋量測靜電值為 0.0KV~+0.6KV；經摩擦帶靜電量測顯示值為0.0KV~+1.0KV。EPE 靜電發泡墊量測顯示靜電值為0.0KV~+0.5KV；經摩擦帶靜電量測顯示值為 0.0KV ~+0.5KV。抗靜電 PU 發泡袋經實際量測時發現靜電值為 0KV；經移動所產生摩擦帶電量測靜電顯示值為 0.0 KV ~+0.4KV。

針對上階段量測過程中可看出抗靜電 PVC 保潔膜及抗靜電 PE 保潔膜其抗靜電放電防護效果較差，但是其他各類分析結果都有明顯較佳的防護效果，因此大幅

地取代一般包裝材料改變用有抗靜電防護效果的趨

勢。[10~12]


3.2 單晶 LED元件的靜電實驗結果分析同樣的傳統低功率子彈型 LED(Lamp LED)，食人

魚型 LED(Piranha LED)，經過靜電放電測試後的 LED單晶已被破壞，直接影響原有的靜電耐受度而大幅衰減

及較難偵測出來的包含晶粒、封裝體、金線、支架等的

內部構造，所以根據靜電放電帶給 LED Chip 所形成的瑕疵分析利用金相顯微鏡深入觀測探究，先對還未執行

實驗的靜電放電測試的子彈型 LED(Lamp LED)輸入電流 20mA 點亮量測 I-V curve 如圖 14 所示，進行環氧樹脂(Epoxy)打磨後正面分析如圖 15 所示及如圖 16 所示LED 溶解環氧樹脂(Epoxy)後結構無異狀，LED 溶解環氧樹脂(Epoxy)後可正常點亮，如圖 17 所示，另對經過靜電放電實驗後進行檢測溶解環氧樹脂(Epoxy)前 LED外觀未發現有不良現象，打磨後觀察正常，環氧樹脂

(Epoxy)溶解後正面觀察均為良好如圖 18 所示，側面觀察良好，晶片放大觀察，發現有擊傷現象，將晶片局部

放大觀察，如圖 19 所示，然而對食人魚型 LED 靜電放電實驗進行量測有漏電之 I-V 特性曲線，如圖 20 所示，將失效晶片以金相顯微鏡觀察靜電放電(ESD)破壞而產生得焦黑現象如圖 21 所示，針對逆向電流偏高使用雷射光束電阻異常檢驗儀(OBIRCH)分析漏電路徑發現綠色光點為漏電位置如圖 22 所示，針對綠色光點為漏電位置使用掃描式電子顯微鏡(SEM)儀器確認電極處有靜電造成破壞之外觀如圖 23 所示，近距所拍攝之靜電破壞孔洞如圖 24 所示。 4. 結論

本文實質上為強化並提升傳統車燈製造產業在於

車燈領域中不斷創新研發，開始應用具環保議題的發光

二極體(LED, Light Emitting Diodes)光源做為汽車車外光源系統則可分為車前照明與車後照明兩種光源模組

技術，然而開發過程中實務運作顯然缺乏 OEM 汽車電子學理的相關概念，雖然不斷的學習成長積極研製克服

設計障礙或技術研發。然而技術要能突破，在售後服務改裝車燈專業製造

廠，是透過產官學合作展開系列研討，總而言之，靜電

是一種客觀的自然現象，電荷從一個物體轉移到另一個

物體，產生的方式多種，如接觸、摩擦等，由於人體自

身的動作或是移動其他物體的接觸，分離，摩擦或感應

等因素，可能生成幾千伏更甚至上萬伏的靜電，然而靜

電的特點為高電壓、低電量、小電流和作用時間短的特

性，若要提高所有靜電防護環境室溫為 23±3℃，相對濕度控制在 50%以上，最好控制在 50~60%RH。禁止在低於 30%的環境內操作，生產過程中靜電防護的主要措施為靜電洩露、耗散、中和、增濕，遮罩與接地，有防

靜電風扇、靜電風槍，對於人體靜電防護系統有防靜電

手腕帶，腳腕帶，工作服等組成，具有靜電洩露，中和

與遮罩等功能，若全面實施抗靜電高分子包裝材料有抗

靜電塑膠袋、抗靜電氣泡袋、抗靜電舒美袋、EPE 靜電發泡墊、抗靜電 PU 發泡袋等具有較佳防護功能，靜電防護場所必須是長期的進行監控系統有效性，監控環節

不容有任何失誤或疏漏，如果監控系統崩潰會形成靜電

防護工作的失效。

希望能藉本文將車燈產業界存在已久因靜電放電

導致 LED 內部結構及車燈性能受到影響的議題，對產品量產階段穩定度，更能獲得車燈領域的應用技術上之

突破有莫大助益，具有更佳的 OES(原廠售後維修)市場競爭優勢。

5. 致謝

本研究期間感謝龍鋒(股)公司賴清琮總經理協助

始臻於成。期間並感謝，至寶電腦興業股份有限公司研

發副總&執行副總李進賜先生與昆鋒光電科技實業總

經理王楷博先生大力協助實驗之進行與結果討論，僅

此一併誌謝。

6. 參考文獻 [1] LEDinside，http://www.ledinside.com.tw/ [2] LED-617HC，http://www.weimin.com.tw/ [3] IEC 61000-4-2，2008. [4] NOISE KEN，http://www.pic.com.tw/ [5] 楊繼深，電磁相容技術之產品研發與認證，全華圖

書股份有限公司，臺北市， 2005.03 ，ISBN957-21-4839-7.

[6] TIM WILLIAMS，產品設計中的EMC技術 EMC for Product Designers(Third Edition)，全華科技圖書股份有限公司，臺北市， 2004.10 ， ISBN 957-21-4900-8.

[7] Sunhayato EG-5SET，http://www.sunhayato.co.jp/ [8] LeCroy，http://www.lecoln.com.tw/ [9] TEKTRONIX，http://www.tek.com.tw/ [10] 賴耿陽，靜電對測實務，復文書局，臺南市，

2004.03，ISBN 957-536-472-4. [11] 陳劉旺丁金超，高分子加工，高立圖書有限公司，

臺北市，1988。 [12] 賴耿陽，塑膠模-加工與運用，南台圖書公司，

76.05。 7. 圖表彙整

圖 1 WEI MIN 型號為 LED-617HC 單晶 LED 測試機

http://www.ledinside.com.tw/�http://www.weimin.com.tw/�http://www.pic.com.tw/�http://www.tek.com.tw/�


圖 2 NOISE KEN 型號為 ESS-2002 靜電放電測試機

圖 3 LED 試驗前、試驗後樣品

A廠商

3.14

3.15

3.16

3.17

3.18

3.19

3.2

3.21

3.22

-8KV

-10K

V

-12K

V

-14K

V

-16K

V

-18K

V

-20K

V

-22K

V

-24K

V

-26K

V

-28K

V

-30K

V

電壓值

Vf值

ESD靜電前

ESD靜電後圖 4 A 廠商電性數值

B廠商

3.24

3.26

3.28

3.3

3.32

3.34

3.36

-8KV

-10K

V

-12K

V

-14K

V

-16K

V

-18K

V

-20K

V

-22K

V

-24K

V

-26K

V

-28K

V

-30K

V

電壓值

Vf值

ESD靜電前

ESD靜電後圖 5 B 廠商電性數值

C廠商

2.9

2.95

3

3.05

3.1

3.15

-8KV

-10K

V

-12K

V

-14K

V

-16K

V

-18K

V

-20K

V

-22K

V

-24K

V

-26K

V

-28K

V

-30K

V

電壓值

Vf值

ESD靜電前

ESD靜電後圖 6 C 廠商電性數值

D廠商

3.12

3.14

3.16

3.18

3.2

3.22

3.24

3.26

3.28

-8KV

-10K

V

-12K

V

-14K

V

-16K

V

-18K

V

-20K

V

-22K

V

-24K

V

-26K

V

-28K

V

-30K

V

電壓值

Vf值

ESD靜電前

ESD靜電後圖 7 D 廠商電性數值

圖 8 Sunhayato EG-5SET 數位式靜電探測機

EPE 發泡墊厚舒美袋

薄舒美袋大氣泡袋

小氣泡袋高密度塑膠袋


PVC 保潔膜 PU 發泡袋

圖 9 一般包裝材料

燈殼沒有保潔膜燈殼外有保潔膜

燈殼內沒有保潔膜燈殼內有保潔膜

整燈測試沒有保潔膜整燈測試有保潔膜

圖 10 整燈測試

圖 11 LeCroy 型號為 WAVESUFER 24Xs 數位式示波器

圖 12 靜電值波形

抗靜電 EPE 發泡墊抗靜電舒美袋

抗靜電氣泡袋抗靜電藍色塑膠袋

抗靜電紅色塑膠袋抗靜電 PVC 保潔膜

抗靜電 PE 保潔膜抗靜電 PU 發泡袋

圖 13 抗靜電包裝材料

圖 14 單顆 LED I-V curve 量測

圖 15 LED 環氧樹脂(Epoxy)打磨後正面


圖 16 LED 環氧樹脂(Epoxy) 溶解後結構無異狀

圖 17 LED 環氧樹脂(Epoxy) 溶解後可正常點亮

圖 18 LED 環氧樹脂(Epoxy)後正面觀察均為良好

圖 19 晶片放大觀察，發現有擊傷現象（虛線所圈處）

圖 20 漏電之 I-V 特性曲線

圖 21 ESD 破壞之焦黑現象（虛線所圈處）

圖 22 (OBIRCH)分析綠色光點為漏電位置（虛線所示）


圖 23 SEM 所拍攝之靜電破壞外觀（虛線所圈處）

圖 24 SEM 近距所拍攝之靜電破壞孔洞（虛線所圈處）

摘要1. 前言2. 靜電放電(ESD)實驗分析3. 結果與討論4. 結論5. 致謝6. 參考文獻7. 圖表彙整

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