LED芯片封装缺陷检测方法

LED(Light-emittingdiode)由于寿命长、能耗低等优点被广泛地应用于指示、显示等领域。可靠性、稳定性及高出光率是LED取代现有照明光源必须考虑的因素。封装工艺是影响LED功能作用的主要因素之一，封装工艺关键工序有装架、压焊、封装。由于封装工艺本身的原因，导致LED封装过程中存在诸多缺陷(如重复焊接、芯片电极氧化等)，统计数据显示[1-2]：焊接系统的失效占整个半导体失效模式的比例是25%～30%，在国内[3]，由于受到设备和产量的双重限制，多数生产厂家采用人工焊接的方法，焊接系统不合格占不合格总数的40%以上。从使用角度分析，LED封装过程中产生的缺陷，虽然使用初期并不影响其光电性能，但在以后的使用过程中会逐渐暴露出来并导致器件失效。在LED的某些应用领域，如高精密航天器材，其潜在的缺陷比那些立即出现致命性失效的缺陷危害更大。因此，如何在封装过程中实现对LED芯片的检测、阻断存在缺陷的LED进入后序封装工序，从而降低生产成本、提高产品的质量、避免使用存在缺陷的LED造成重大损失就成为LED封装行业急需解决的难题。目前，LED产业的检测技术主要集中于封装前晶片级的检测[4-5]及封装完成后的成品级检测[6-7]，而国内针对封装过程中LED的检测技术尚不成熟。本文在LED芯片非接触检测方法的基础上[8-9]，在LED引脚式封装过程中，利用p-n结光生伏特效应，分析了封装缺陷对光照射LED芯片在引线支架中产生的回路光电流的影响，采用电磁感应定律测量该回路光电流，实现LED封装过程中芯片质量及封装缺陷的检测。1理论分析1.1p-n结的光生伏特效应[m]根据p-n结光生伏特效应，光生电流IL表示为：式中，A为p-n结面积，q是电子电量，Ln、Lp分别为电子和空穴的扩散长度，J表示以光子数计算的平均光强，α为p-n结材料的吸收系数，β是量子产额，即每吸收一个光子产生的电子一空穴对数。在LED引脚式封装过程中，每个LED芯片是被固定在引线支架上的，LED芯片通过压焊金丝(铝丝)与引线支架形成了闭合回路，如图1。若忽略引线支架电阻，LED支架回路光电流等于芯片光生电流IL。可见，当p-n结材料和掺杂浓度一定时，支架回路光电流与光照强度I成正比。1.2封装缺陷机理LED芯片受到腐蚀因素影响或沾染油污时，在芯片电极表面生成一层非金属膜，产生封装缺陷[11]。电极表面存在非金属膜层的LED芯片压焊工序后，焊接处形成金属一介质-金属结构，也称为隧道结。当一定强度的光照射在LED芯片上，若LED芯片失效，支架回路无光电流流过若非金属膜层足够厚，只有极少数电子可以隧穿膜层势垒，LED支架回路也无光电流流过;若非金属膜层较薄，由于LED芯片光生电流在隧道结两侧形成电场，电子主要以场致发射的方式隧穿膜层，流过单位面积膜层的电流可表示为[12]。其中q为电子电量，m为电子质量，矗为普朗克常数，vx、vy、vz分别是电子在x、y、z方向的隧穿速度，T(x)为电子的隧穿概率。又任意势垒的电子隧穿概率可表示为[13]其中jin、jout。分别是进入膜层和穿过膜层的电流密度，，x指向为芯片电极表面到压焊点，为膜层中z方向任意点的势垒，E是垂直芯片电极表面速度为vx电子的能量。图2为在电场f’作用‘F芯片电极表面的势垒图，其中EF为费米能级，U为电子发射势垒。由图编灶2，磁若芯软片电尾极表榴面为针突变堂结，傍其值验为U香0，尼光生想电流荒在隧微道结刻两侧刺形成尤的电退场强交度为似F，国电极底表面覆以外袄的势忽垒为撇U0读-间qF牛x。跳取芯脊片电慰极导缴带底容为参思考能沙级E珍0(突x=肠0)疮，因暮而有闯x<闭0处箩，U并(x贤)=王0;州x>犬0处锦，U跌(x研)=慰U0梅-狠qF琴x，巡根据惠条件裤U(池x)裁=E倾=U士0-蓄q询Fx启2式贡中d显为膜灭层厚妹度，扭V为痛膜层及隧道屿结两蒙侧电雷压。任当L阶ED苗芯片求发生外光生型伏特溜效应长时，章由式心(7皂)可妇知，夺流过姨芯片甜电极家表面季非金冶属膜调层的联电流凤受到卖膜层扫厚度弯的哥影响刑，随躬着膜膜层增颗厚，染流过疮膜层求的电意流减烤小，拣流过磁LE挤D支找架回临路的政光电京流也方将减欢小。切综钉上所厨述，那引脚聚式L醉ED覆支架解回路垒光电盼流的溪有无雨或大乖小可流以反贷映封让装工斜艺中交LE故D芯逃片的辽功能左状态孙及芯仪片电蹲极与沸引线荷支架均的电阶气连当接情墓况，扣因此运，可辱以通舅过甩检测急LE假D支或架回惭路光装电流棕达到竭检测病引脚稼式封司装工姿艺中渠芯片谦功能嗽状态猾和封三装缺崭陷。般1盒.3域封装至缺陷辱的检效测方梦法诸厘完成期压焊嗓工序砌后，兽LE隔D处天于闭珠合短扬路状该态，陡直接环导出摊回路绞电流来进行滔检测掩不可坐行。耳虽然担支架故回路蚁有一览定电猜阻，叙但光福生电洒流只津有微庙安量射级，姓因而余支架蔬回路舰中夜的压路降非泊常小携，用帅一般些的电谜压测腊量方很法难扶度较字大，捆而且标接触闹式检那测会言引入能接触译电阻求，影掌响检沉测的蓝准确涉性。泛因此坦，考惩虑用阴非接董触式服的电脏流检胶测方粒法。鼠根据纽法拉躺第电绍磁感冰应明定律珠，利咏用引奴脚式添LE构D自老身特子征，鲁检测欲时将猫带磁现芯线棉圈中财磁芯队的一山端插愤入图漆1所忠示闭纷合回格路z扰中，旅LE铜D支雷架回蚕路作裤为一直级绕寿组，郊带磁决芯线协圈作狮为次予级绕膜组，明并时在线脑圈的芽两端扮并联躺上电睬容C洒，与砌线圈撇L组料成L瞎C谐哄振回僻路。播以交灶变的秋光激令励L缩ED励芯片汽时，蜡支架恩回路淹中产额生交怒变电另流，微交流国载流守回路资会在箭周围粘空间脚产生元交变题磁场托，次组级荣线圈利交变腊磁场侮则在蚕次级责线圈租中产洋生感净生电视动势印。若密交变季光频援率与眨LC喝谐振润回路舍频率阵相等宿时，涌LC展回路均发生检共振巨，此巨时次芽级线何圈两牲端感鉴生电采动势仍最大毛。因楼此，碑可以诚通升过检嫩测次阿级线蛙圈两贷端感爱生电芹动势妙间接格达到胀检测投支架碗回路坊光电杜流的紧目的泄，实嚷现对任封装补工艺拐中芯陶片功楚能状赴况及督焊接圣质量记的检伙测。休星LC裂谐振已回路械中，骗线圈化中磁仰芯起教到增饼强磁粪感应贷强度千B的笼作用席，从趁而增湖加检脊测信胆号幅负值。剩又线报圈中珍磁芯刮的有五效磁粗导率要与相功对磁昼导率零间关涨系可错表示六为雾[1遵4]谢：师风式中架，μ蒸e磁岗芯的形有效慈磁导胳率，夹胁为佳磁芯快的相敲对磁倦导率核，μ异r为鸟磁芯捧的有仙效磁吨路长努度，营名为桂非闭马合气翁隙长净度。拨舱由式周(8要)可轨以看为出，钢影响扁有效泽磁导扒率胁稼从而莲影响勺磁感今应强牺度B五的参股数有并：测爹①磁焦芯材珍料的怎相对只磁导锯率胁渔。与疫所选姥软磁徐磁芯债材料仗有关恋(软虽磁材坟料初酿始相狭对磁挠导率额一般厉大于浑10群00坐)，触当磁肢芯材架料选蚁定后惊，其杆相对刊磁导膜率为恋确定废值。昏苍②磁娃芯的蔽有效寸长度况le甚、非标闭合意气隙是长度顿lg上，它崭们由勉磁芯阻的结女构决驱定。营微弱吓电流兆产生室的磁脆场易秧受外迹界因眨素干暗扰，份磁路械越长探，干息扰越拜大，西所以迎磁芯传的有寺效拒长度定宜短休。纲千在磁怀芯材掠料确陕定的台情况躬下，叫为了育得到梨较大裁磁感胞应强教度B救，需族改变场线圈等中磁难芯的抹结构敬。若抽磁芯竹结构末设计伪为环喷形，蛙由式绕(8瓦)知亏，磁苏感应麻强度扑B增纠大倍侧数理丘论遍上与屋磁芯喇的相志对磁敬导率歼卢，贫大小艘相等柔，检睛测信矮号幅旷值将杜达到象最大飞。与济条形邻磁芯指同种造材质叠的u净型磁编芯上割搭接咱一块烛条形意磁芯禁就构省成环贩形磁犹芯线阅圈，备其搭鲜接方膜式有残两种当，如斩图撒3示维。泊秋检测殖时将足绕有韵线圈连的U跌型磁芦芯的忙一端荐插入购图1双所示武1闭趴合回泄路，阀感应名LE况D支德架回毒路中湿回路邀电流丙产生芬的交弟变磁主通，映再将哀条形央磁芯稠搭接谢在U酷型磁慎芯上感，使虚感置应磁浴路闭仿合。丰由于唇搭接坟方式未不同详，两来种搭五接方币式的讯磁芯盆线圈至处在漫支架汪回路逼所产屡生的认交变盟磁场司中时侄，其括搭接泻处磁蔑路也粪将不习同，证用A铅ns勒of狐t头Ma屈xw避EL祝l软歪件仿树真两未种搭毯接方秋式的跃磁芯生搭接垫处在展交变梅磁场卫中的妙磁回济路，征结果种如图测4示俯锻图4送中(气a)钟、(切b)挨仿真熔结果惜对应色于图欢3中劣(a寄)、毒(b胁)两揉种线扯圈磁育芯搭抬接方导式。仍比较淘两种艺线圈哀磁芯逐搭接输处磁萄路仿远真结索果可律以看料出：跳①图谈3(去a)惑示请磁芯融搭接知处磁胀路在勇空气辜介质辜中的六回路倦最短堂，所搞受磁橡阻最辽小，鞠因此洲磁损里耗也棋最小菌。②研由于坝待测沾LE逗D支促架回法路电盟流为辱微安固量级做，激喉起的喊磁场群较小霸，易眯受空退间电侦磁场纷的干柏扰闭，图丰3(悟b)估示磁网芯搭秩接处弓磁路魔暴露渐在空冶气介匪质中妙较多努，受拴干扰棋的几冤率较搁大。杯由上牛述分判析，猾图3捕(a壶)磁封芯搭气接方驰式较更优，袋可以摆增强梳信号变检测险端抑窗制干费扰能却力，显增西加检辫测信兽号幅航值，椅一定杆程度括上提杀高光景激励屠检测乞信号互信噪徒比，鼓进而郑提高翠缺陷箩检测年精度川。夸2筋实验辉及分吊析诞欺2.聪1实着验拒弃为了稳比较纤条形蒸磁芯否线圈侦与环呢形磁氏芯线祥圈对监封装挡缺陷挥检测习精度劝的影奖响，执现分喜别使诱用条奔形磁哀芯线假圈和村图3后(a牧)示初环形标磁芯迷线圈滨进行怕实验桐。磁鲁芯材耻料为铜P划C4球0，窑其初笑始相膝对磁烦导率当约为饼23酬00暑，条永形磁习芯的浪外形淡几何搭尺寸挨为1馒.6牛mi没nx协3.迁2r虎am稿×2球0m惩m，装线圈鼠匝数度为3跪00聚匝;歪环形跃磁芯歪横截头面尺堪寸为就1丛.6为mm锋×3游.2星mm屑，其龙有效寻磁路屡长度忙约等托于条卖形磁反芯，葡线圈拨匝数从为3浊00仁匝。傅实验福中激食励光絮源为谊一种搂超高峡亮度俱贴片池式白漏光L繁ED暴，激弄励光董源用仗占空稍比为昌50但%史的方循波信肌号驱薄动，每方波皆信号前可由看一系晓列正供弦变列化的示信号塌叠加荐而成宰，使调其基锦频与携谐振病回路带的工玩作频腹率相涨同，料即L畜C谐苗振回宾路实使现了验对方得波信犁号的妄选频裕，所闭以穿段过线导圈磁蛇通爽链的颈变化吐率就灵是方缴波基诸频信贞号的役变化曾率;龟检测烟对象披分别签是G俘aP黑材料镰12奸mi政l黄恭色焊子接质罪量合恳格的女LE积D和然焊接冒过程佛中芯饶片电炊极有意非金扬属膜包的L臂ED姨。从采线圈悦两胶端输递出的谜信号省经放陶大、类滤波责、峰软值检迎波后阶见图年5。瞧实验芳中放格大器旋的放劲大倍致数为污10位3倍电。亮荣2.砌2结险果分挺析叨匠本文肉介绍浓的医LE房D芯刘片他封装请缺陷职检测崭方法袖是通列过检都测L罗ED群支架它回路涂光电悲流间生接实脱现的番。由寒图5圆可以规看出史，支悲架回石路光脉电流槽激发步的磁伪场在经不同折磁芯年结构觉线贩圈两榴端感芽生电夸动势佛大小寺不同倚;不辰同磁香芯结尽构线市圈，蛙检测魔信号劣的信络噪比凳差异浙较大呼。具宋体表歼现为能：姥坐①焊叠接质楼量合痛格的爹LE麻D，炮实验秀检测资值与邪理论坐计算嫁值相敢吻合造。图宾5(还a)穷为使亡用条目形线苹圈磁而芯的光实验禽结果博，封及装工且艺中曾焊接缩质量陵合格分的L糟ED苗，信灰号检俗测塞端产腥生的法光激壮励信切号经复放大扮、滤待波、波峰值币检波少后幅霜值约黎为6锋0m晒V。昏选1掘2m撞il膏黄色泊LE为D芯朵片进跑行理肝论值大计算宽，芯苍片面婆积A绪=0文.3妄mm局×0痰.3第mm话，取伯β脆=0糕.5黎当单么位时盖间内兴单位责面积健被半升导体弓材料率吸收办的平萄均光驼强(鸟以光肌子数皱计)匹为5折.4抵5×刚10中21乓个/警m2胆s时踪，由菊式(脚1)诸可计石算出亏光生聋电流碌约为宋42脾μA厦。刑由毕素奥-挂萨伐龟尔定复理、横叠加阻定理价及法海拉第鹿电磁眼感应荡定律敬，可疏求得凭12韵mi宜l黄沃色L孩ED荒芯片提在信叶号检耽测端庆感生栏电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