基于LED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(diǎn)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。

??? LED(Light-emitting diode)由于壽命長、能耗低等優(yōu)點(diǎn)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、芯片電極氧化等)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[1-2]：焊接系統(tǒng)的失效占整個(gè)半導(dǎo)體失效模式的比例是25%～30%，在國內(nèi)[3]，由于受到設(shè)備和產(chǎn)量的雙重限制，多數(shù)生產(chǎn)廠家采用人工焊接的方法，焊接系統(tǒng)不合格占不合格總數(shù)的40%以上。從使用角度分析，LED封裝過程中產(chǎn)生的缺陷，雖然使用初期并不影響其光電性能，但在以后的使用過程中會(huì)逐漸暴露出來并導(dǎo)致器件失效。在LED的某些應(yīng)用領(lǐng)域，如高精密航天器材，其潛在的缺陷比那些立即出現(xiàn)致命性失效的缺陷危害更大。因此，如何在封裝過程中實(shí)現(xiàn)對LED芯片的檢測、阻斷存在缺陷的LED進(jìn)入后序封裝工序，從而降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品的質(zhì)量、避免使用存在缺陷的LED造成重大損失就成為LED封裝行業(yè)急需解決的難題。

　　目前，LED產(chǎn)業(yè)的檢測技術(shù)主要集中于封裝前晶片級(jí)的檢測[4-5]及封裝完成后的成品級(jí)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(shí)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

　　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，q是電子電量，Ln、Lp分別為電子和空穴的擴(kuò)散長度，J表示以光子數(shù)計(jì)算的平均光強(qiáng)，α為p-n結(jié)材料的吸收系數(shù)，β是量子產(chǎn)額，即每吸收一個(gè)光子產(chǎn)生的電子一空穴對數(shù)。

　　在LED引腳式封裝過程中，每個(gè)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。若忽略引線支架電阻，LED支架回路光電流等于芯片光生電流IL。可見，當(dāng)p-n結(jié)材料和摻雜濃度一定時(shí)，支架回路光電流與光照強(qiáng)度I成正比。

　　1.2封裝缺陷機(jī)理

　　LED芯片受到腐蝕因素影響或沾染油污時(shí)，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(dāng)一定強(qiáng)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)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(jìn)入膜層和穿過膜層的電流密度，

　　，x指向?yàn)樾酒姌O表面到壓焊點(diǎn)，為膜層中z方向任意點(diǎn)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(fèi)米能級(jí)，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(qiáng)度為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(jí)E0(x=0)，因而有x<0處，U(x)=0;x>0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(dāng)LED芯片發(fā)生光生伏特效應(yīng)時(shí)，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(dá)到檢測引腳式封裝工藝中芯片功能狀態(tài)和封裝缺陷。

　　1.3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(jìn)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(jí)，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(huì)引入接觸電阻，影響檢測的準(zhǔn)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(shí)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(jí)繞組，帶磁芯線圈作為次級(jí)繞組，并在線圈的兩端并聯(lián)上電容C，與線圈L組成LC諧振回路。以交變的光激勵(lì)LED芯片時(shí)，支架回路中產(chǎn)生交變電流，交流載流回路會(huì)在周圍空間產(chǎn)生交變磁場，次級(jí)線圈交變磁場則在次級(jí)線圈中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢。若交變光頻率與LC諧振回路頻率相等時(shí)，LC回路發(fā)生共振，此時(shí)次級(jí)線圈兩端感生電動(dòng)勢最大。因此，可以通過檢測次級(jí)線圈兩端感生電動(dòng)勢間接達(dá)到檢測支架回路光電流的目的，實(shí)現(xiàn)對封裝工藝中芯片功能狀況及焊接質(zhì)量的檢測。

　　LC諧振回路中，線圈中磁芯起到增強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用，從而增加檢測信號(hào)幅值。又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，μe磁芯的有效磁導(dǎo)率，脅為磁芯的相對磁導(dǎo)率，μr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(qiáng)度B的參數(shù)有：

　　①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(dāng)磁芯材料選定后，其相對磁導(dǎo)率為確定值。

　　②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(qiáng)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(jì)為環(huán)形，由式(8)知，磁感應(yīng)強(qiáng)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(hào)幅值將達(dá)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(shí)將繞有線圈的U型磁芯的一端插入圖1所示1閉合回路，感應(yīng)LED支架回路中回路電流產(chǎn)生的交變磁通，再將條形磁芯搭接在U型磁芯上，使感應(yīng)磁路閉合。由于搭接方式不同，兩種搭接方式的磁芯線圈處在支架回路所產(chǎn)生的交變磁場中時(shí)，其搭接處磁路也將不同，用Ansoft MaxwELl軟件仿真兩種搭接方式的磁芯搭接處在交變磁場中的磁回路，結(jié)果如圖4示

　　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：①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。②由于待測LED支架回路電流為微安量級(jí)，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)磁芯搭接方式較優(yōu)，可以增強(qiáng)信號(hào)檢測端抑制干擾能力，增加檢測信號(hào)幅值，一定程度上提高光激勵(lì)檢測信號(hào)信噪比，進(jìn)而提高缺陷檢測精度。

　　2實(shí)驗(yàn)及分析

　　2.1實(shí)驗(yàn)

　　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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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1.6minx3.2ram×20mm，線圈匝數(shù)為300匝;環(huán)形磁芯橫截面尺寸為1.6mm×3.2mm，其有效磁路長度約等于條形磁芯，線圈匝數(shù)為300匝。實(shí)驗(yàn)中激勵(lì)光源為一種超高亮度貼片式白光LED，激勵(lì)光源用占空比為50%的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)，方波信號(hào)可由一系列正弦變化的信號(hào)疊加而成，使其基頻與諧振回路的工作頻率相同，即LC諧振回路實(shí)現(xiàn)了對方波信號(hào)的選頻，所以穿過線圈磁通鏈的變化率就是方波基頻信號(hào)的變化率;檢測對象分別是GaP材料12mil黃色焊接質(zhì)量合格的LED和焊接過程中芯片電極有非金屬膜的LED。從線圈兩端輸出的信號(hào)經(jīng)放大、濾波、峰值檢波后見圖5。實(shí)驗(yàn)中放大器的放大倍數(shù)為103倍。

　　2.2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(shí)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(dòng)勢大小不同;不同磁芯結(jié)構(gòu)線圈，檢測信號(hào)的信噪比差異較大。具體表現(xiàn)為：

　　①焊接質(zhì)量合格的LED，實(shí)驗(yàn)檢測值與理論計(jì)算值相吻合。圖5(a)為使用條形線圈磁芯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，封裝工藝中焊接質(zhì)量合格的LED，信號(hào)檢測端產(chǎn)生的光激勵(lì)信號(hào)經(jīng)放大、濾波、峰值檢波后幅值約為60mV。選12mil黃色LED芯片進(jìn)行理論值計(jì)算，芯片面積A=0.3mm×0.3mm，取β=0.5當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)單位面積被半導(dǎo)體材料吸收的平均光強(qiáng)(以光子數(shù)計(jì))為5.45×1021個(gè)/m2s時(shí)，由式(1)可計(jì)算出光生電流約為42μA。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(hào)檢測端感生電動(dòng)勢幅值約為63mV,去除實(shí)驗(yàn)誤差和計(jì)算誤差，理論值和實(shí)驗(yàn)值較好地吻合。

　　②對于環(huán)形結(jié)構(gòu)磁芯線圈，實(shí)驗(yàn)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(shí)有效磁導(dǎo)率μe≈100。若磁芯改為環(huán)形，則非閉合氣隙長度lg≈0，此時(shí)有效磁導(dǎo)率μe≈μr=2300，由理論計(jì)算可知，12mil黃色焊接質(zhì)量合格LED在信號(hào)檢測端感生電動(dòng)勢幅值約為1.4V;由圖5(b)知，實(shí)驗(yàn)得到信號(hào)值約為220mV，實(shí)驗(yàn)值遠(yuǎn)小于理論值。上述計(jì)算是在理想情況下進(jìn)行的，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)值遠(yuǎn)小于理論值。

　　③不同磁芯結(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)LED封裝缺陷的檢測，但檢測信號(hào)的信噪比差異較大。由圖5可以看出，雖然實(shí)驗(yàn)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(lì)檢測信號(hào)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(lì)檢測信號(hào)，通過比較兩者檢測信號(hào)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LED撿出。對圖5(a)，實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度B增強(qiáng)倍數(shù)為有效磁導(dǎo)率μe，同時(shí)檢測信號(hào)易受外界干擾，因而檢測信號(hào)幅值較小且存在較大的檢測噪聲，使得兩種芯片光激勵(lì)信號(hào)信噪比都較小，給后端信號(hào)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(qiáng)度B得到有效增強(qiáng)，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(hào)信噪比得到顯著改善。

　　④不同磁芯結(jié)構(gòu)影響諧振回路的工作頻率。實(shí)驗(yàn)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。

　　⑤理論分析和實(shí)驗(yàn)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(dòng)勢的大小，并與焊接質(zhì)量合格的LED的檢測信號(hào)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對封裝過程中存在封裝缺陷的LED進(jìn)行檢測。

　　3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(dāng)LED芯片電極表面存在非金屬膜層時(shí)，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(hào)減小。通過非接觸法檢測待測LED光激勵(lì)信號(hào)并與焊接合格的LED光激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對引腳式封裝LED芯片在壓焊工序中/后的功能狀態(tài)及封裝缺陷的檢測。分析了影響檢測精度的因素。用焊接合格與芯片電極表面存在非金屬膜的12mil黃LED樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該方法可以檢測LED支架回路微安量級(jí)光生電流信號(hào)，并具有較高的信噪比，檢測結(jié)果能實(shí)現(xiàn)對焊接質(zhì)量合格與芯片失效或存在封裝缺陷的LED的區(qū)分，達(dá)到對LED芯片在壓焊工序中/后的功能狀態(tài)及封裝缺陷檢測的目的，從而降低LED生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、避免使用存在缺陷的LED造成重大損失。