基于LED芯片封裝缺陷檢測方法研究

1、基于 LED 芯片封裝缺陷檢測方法研究基于基于 LEDLED 芯片封裝缺陷檢測方法研究芯片封裝缺陷檢測方法研究摘要：LED(Light-emitting diode)由于壽命長、能耗低等優(yōu)點被廣泛地應(yīng)用于指示、顯示等領(lǐng)域?？煽啃?、穩(wěn)定性及高出光率是 LED 取代現(xiàn)有LED(Light-emitting diode)由于壽命長、能耗低等優(yōu)點被廣泛地應(yīng)用于指示、顯示等領(lǐng)域。可靠性、穩(wěn)定性及高出光率是 LED 取代現(xiàn)有照明光源必須考慮的因素。封裝工藝是影響 LED 功能作用的主要因素之一，封裝工藝關(guān)鍵工序有裝架、壓焊、封裝。由于封裝工藝本身的原因，導(dǎo)致 LED 封裝過程中存在諸多缺陷(如重復(fù)焊接、芯

2、片電極氧化等)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示1-2：焊接系統(tǒng)的失效占整個目前，LED 產(chǎn)業(yè)的檢測技術(shù)主要集中于封裝前晶片級的檢測4-5及封裝完成后的成品級檢測6-7，而國內(nèi)針對封裝過程中 LED 的檢測技術(shù)尚不成熟。本文在 LED 芯片非接觸檢測方法的基礎(chǔ)上8-9，在 LED 引腳式封裝過程中，利用 p-n 結(jié)光生伏特效應(yīng)，分析了封裝缺陷對光照射 LED 芯片在引線支架中產(chǎn)生的回路光電流的影響，采用電磁感應(yīng)定律測量該回路光電流，實現(xiàn)LED 封裝過程中芯片質(zhì)量及封裝缺陷的檢測。1 理論分析理論分析1.1 p-n 結(jié)的光生伏特效應(yīng)m根據(jù) p-n 結(jié)光生伏特效應(yīng)，光生電流 IL 表示為：式中，A 為 p-n 結(jié)面積

3、，q 是在 LED 引腳式封裝過程中，每個 LED 芯片是被固定在引線支架上的，LED 芯片通過壓焊金絲(鋁絲)與引線支架形成了閉合回路，如圖 1。若忽略引線支架1.2 封裝缺陷機理封裝缺陷機理LED 芯片受到腐蝕因素影響或沾染油污時，在芯片電極表面生成一層非金屬膜，產(chǎn)生封裝缺陷11。電極表面存在非金屬膜層的 LED 芯片壓焊工序后，焊接處形成金屬一介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)，也稱為隧道結(jié)。當一定強度的光照射在LED 芯片上，若 LED 芯片失效，支架回路無光電流流過若非金屬膜層足夠厚，只有極少數(shù)電子可以隧穿膜層勢壘，LED 支架回路也無光電流流過;若非金屬膜層較薄，由于 LED 芯片光生電流在隧道結(jié)兩側(cè)

4、形成電場，電子主要以場致發(fā)射的方式隧穿膜層，流過單位面積膜層的電流可表示為12。其中 q 為電子電量，m 為電子質(zhì)量，矗為普朗克常數(shù)，vx、vy、vz 分別是電子在 x、y、z 方向的隧穿速度，T(x)為電子的隧穿概率。又任意勢壘的電子隧穿概率可表示為13其中 jin、jout。分別是進入膜層和穿過膜層的電流密度，x 指向為芯片電極表面到壓焊點，為膜層中 z 方向任意點的勢壘，E 是垂直芯片電極表面速度為 vx 電子的能量。圖 2 為在電場 f作用F 芯片電極表面的勢壘圖，其中 EF 為費米能級，U為電子發(fā)射勢壘。由圖2，若芯片電極表面為突變結(jié)，其值為 U0，光生電流在隧道結(jié)兩側(cè)形成的電場強度

5、為 F，電極表面以外的勢壘為 U0- qFx。取芯片電極導(dǎo)帶底為參考能級 E0(x=0)，因而有 x0 處，U(x)=U0- qFx，根據(jù)條件U(x)=E=U0- qFx2 式中 d 為膜層厚度，V 為膜層隧道結(jié)兩側(cè)電壓。當 LED芯片發(fā)生光生伏特效應(yīng)時，由式(7)可知，流過芯片電極表面非金屬膜層的電流受到膜層厚度的影響，隨著膜層增厚，流過膜層的電流減小，流過 LED 支架回路的光電流也將減小。綜上所述，引腳式 LED 支架回路光電流的有無或大小可以反映封裝工藝中LED 芯片的功能狀態(tài)及芯片電極與引線支架的電氣連接情況，因此，可以通過檢測 LED 支架回路光電流達到檢測引腳式封裝工藝中芯片功能

6、狀態(tài)和封裝缺陷。1.3 封裝缺陷的檢測方法封裝缺陷的檢測方法完成壓焊工序后，LED 處于閉合短路狀態(tài)，直接導(dǎo)出回路電流進行檢測不可行。雖然支架回路有一定電阻，但光生電流只有微安量級，因而支架回路中的壓降非常小，用一般的電壓測量方法難度較大，而且接觸式檢測會引入接觸電阻，影響檢測的準確性。因此，考慮用非接觸式的電流檢測方法。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，利用引腳式 LED 自身特征，檢測時將帶磁芯線圈中磁芯的一端插入圖 1 所示閉合回路 z 中，LED 支架回路作為一級繞組，帶磁芯線圈作為次級繞組，并在線圈的兩端并聯(lián)上LC 諧振回路中，線圈中磁芯起到增強磁感應(yīng)強度 B 的作用，從而增加檢測信號幅值。又

7、線圈中磁芯的有效磁導(dǎo)率與相對磁導(dǎo)率間關(guān)系可表示為14：式中，e 磁芯的有效磁導(dǎo)率，脅為磁芯的相對磁導(dǎo)率，r 為磁芯的有效磁路長度，名為非閉合氣隙長度。由式(8)可以看出，影響有效磁導(dǎo)率脅從而影響磁感應(yīng)強度 B 的參數(shù)有：磁芯材料的相對磁導(dǎo)率脅。與所選軟磁磁芯材料有關(guān)(軟磁材料初始相對磁導(dǎo)率一般大于 1000)，當磁芯材料選定后，其相對磁導(dǎo)率為確定值。磁芯的有效長度 le、非閉合氣隙長度 lg，它們由磁芯的結(jié)構(gòu)決定。微弱電流產(chǎn)生的磁場易受外界因素干擾，磁路越長，干擾越大，所以磁芯的有效長度宜短。在磁芯材料確定的情況下，為了得到較大磁感應(yīng)強度 B，需改變線圈中磁芯的結(jié)構(gòu)。若磁芯結(jié)構(gòu)設(shè)計為環(huán)形，由式

8、(8)知，磁感應(yīng)強度 B 增大倍數(shù)理論上與磁芯的相對磁導(dǎo)率盧，大小相等，檢測信號幅值將達到最大。與條形磁芯同種材質(zhì)的 u 型磁芯上搭接一塊條形磁芯就構(gòu)成環(huán)形磁芯線圈，其搭接方式有兩種，如圖 3 示。檢測時將繞圖 4 中(a)、(b)仿真結(jié)果對應(yīng)于圖 3 中(a)、(b)兩種線圈磁芯搭接方式。比較兩種線圈磁芯搭接處磁路仿真結(jié)果可以看出：圖 3(a)示磁芯搭接處磁路在空氣介質(zhì)中的回路最短，所受磁阻最小，因此磁損耗也最小。由于待測LED 支架回路電流為微安量級，激起的磁場較小，易受空間電磁場的干擾，圖3(b)示磁芯搭接處磁路暴露在空氣介質(zhì)中較多，受干擾的幾率較大。由上述分析，圖 3(a)磁芯搭接方式

9、較優(yōu)，可以增強信號檢測端抑制干擾能力，增加檢測信號幅值，一定程度上提高光激勵檢測信號信噪比，進而提高缺陷檢測精度。2 實驗及分析實驗及分析2.1 實驗實驗為了比較條形磁芯線圈與環(huán)形磁芯線圈對封裝缺陷檢測精度的影響，現(xiàn)分別使用條形磁芯線圈和圖 3(a)示環(huán)形磁芯線圈進行實驗。磁芯材料為 PC40，其初始相對磁導(dǎo)率約為 2300，條形磁芯的外形幾何尺寸為1.6minx3.2ram20mm，線圈匝數(shù)為 300 匝;環(huán)形磁芯橫截面尺寸為1.6mm3.2mm，其有效磁路長度約等于條形磁芯，線圈匝數(shù)為 300 匝。實驗中激勵光源為一種超高亮度貼片式白光 LED，激勵光源用占空比為 50%的方波信號2.2

10、結(jié)果分析結(jié)果分析本文介紹的 LED 芯片封裝缺陷檢測方法是通過檢測 LED 支架回路光電流間接實現(xiàn)的。由圖 5 可以看出，支架回路光電流激發(fā)的磁場在不同磁芯結(jié)構(gòu)線圈兩端感生電動勢大小不同;不同磁芯結(jié)構(gòu)線圈，檢測信號的信噪比差異較大。具體表現(xiàn)為：焊接質(zhì)量合格的 LED，實驗檢測值與理論計算值相吻合。圖 5(a)為使用條形線圈磁芯的實驗結(jié)果，封裝工藝中焊接質(zhì)量合格的 LED，信號檢測端產(chǎn)生的光激勵信號經(jīng)放大、濾波、峰值檢波后幅值約為 60mV。選 12mil 黃色LED 芯片進行理論值計算，芯片面積 A=0.3mm0.3mm，取=0.5 當單位時間內(nèi)單位面積被半導(dǎo)體材料吸收的平均光強(以光子數(shù)計)

11、為 5.451021 個/m2s 時，由式(1)可計算出光生電流約為 42A。由畢奧-薩伐爾定理、疊加定理及法拉第電磁感應(yīng)定律，可求得 12mil 黃色 LED 芯片在信號檢測端感生電動勢幅值約為 63mV,去除實驗誤差和計算誤差，理論值和實驗值較好地吻合。對于環(huán)形結(jié)構(gòu)磁芯線圈，實驗值較理論值小。根據(jù)式(8)，對于條形結(jié)構(gòu)磁芯線圈，假設(shè)磁芯有效磁路長度 le=100lg，此時有效磁導(dǎo)率e100。若磁芯改為環(huán)形，則非閉合氣隙長度 lg0，此時有效磁導(dǎo)率er=2300，由理論計算可知，12mil 黃色焊接質(zhì)量合格 LED 在信號檢測端感生電動勢幅值約為 1.4V;由圖 5(b)知，實驗得到信號值約

12、為 220mV，實驗值遠小于理論值。上述計算是在理想情況下進行的，在實際實驗過程中，環(huán)形磁芯線圈是由 U 形磁芯和條形磁芯搭接而成的，搭接處氣隙 lg 仍然存在，因而磁路不可能完全閉合，由式(8)知，氣隙對有效磁導(dǎo)率影響很大，所以有效磁導(dǎo)率仍小于相對磁導(dǎo)率，因此，實驗值遠小于理論值。不同磁芯結(jié)構(gòu)均可實現(xiàn) LED 封裝缺陷的檢測，但檢測信號的信噪比差異較大。由圖 5 可以看出，雖然實驗中磁芯線圈采用不同結(jié)構(gòu)，對于焊接質(zhì)量合格的 LED，其光激勵檢測信號均明顯大于封裝過程中芯片電極表面存在非金屬膜的 LED 光激勵檢測信號，通過比較兩者檢測信號幅值的大小，可將封裝過程中芯片電極表面存在非金屬膜的

13、LED 撿出。對圖 5(a)，實驗使用的線圈中磁芯為條形結(jié)構(gòu)，存在氣隙 lg，磁感應(yīng)強度 B 增強倍數(shù)為有效磁導(dǎo)率e，同時檢測信號易受外界干擾，因而檢測信號幅值較小且存在較大的檢測噪聲，使得兩種芯片光激勵信號信噪比都較小，給后端信號處理帶來難度，影響封裝缺陷檢測的精確度。將線圈中磁芯搭接成環(huán)形后構(gòu)成閉合磁回路，磁感應(yīng)強度 B 得到有效增強，磁損耗較小，受到空間電磁場的干擾相對也較小，所以檢測信號信噪比得到顯著改善。不同磁芯結(jié)構(gòu)影響諧振回路的工作頻率。實驗過程中，LC 諧振回路的電容 C 相等，環(huán)形磁芯的有效磁導(dǎo)率大于條形磁芯的有效磁導(dǎo)率，因而環(huán)形磁芯線圈的電感 L 大于條形磁芯線圈的電感，所以

14、其諧振回路的諧振頻率較小;從圖5 可以看出，條形磁芯線圈構(gòu)成的諧振回路的諧振頻率約為 9.75kHz，而環(huán)形磁芯線圈構(gòu)成的諧振回路的諧振頻率約為 7.33kHz。理論分析和實驗結(jié)果分析可得，該方法對 LED 支架回路電流具有較高的檢測精度，通過檢測支架回路電流激起的磁場在線圈兩端感生出電動勢的大小，并與焊接質(zhì)量合格的 LED 的檢測信號進行比較，實現(xiàn)對封裝過程中存在封裝缺陷的 LED 進行檢測。3 結(jié)論結(jié)論針對引腳式 LED 芯片封裝過程中存在的封裝缺陷問題，基于 p-n 結(jié)的光生伏特效應(yīng)，利用電子隧穿效應(yīng)分析了一種封裝缺陷對 LED 性能的影響。理論分析表明，當 LED 芯片電極表面存在非金屬膜層時，流過 LED 支架回路的光電流小于光生電流，隨著膜層厚度的增加，回路光電流逐漸減小，其檢測信號減小。通過非接觸法檢測待測 LED 光激勵信號并與焊接合格的 LED 光激勵信號進行比較，實現(xiàn)對引腳式封裝 LED 芯片在