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文檔簡介

1、  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

2、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(duì)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(duì)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),

3、分析了封裝缺陷對(duì)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),為p-n結(jié)材料的吸收系 數(shù),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(duì)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

4、光生電流IL??梢姡?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

5、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(

6、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

7、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

8、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(duì)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(duì)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(duì)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(qiáng)度B的參數(shù)有:磁芯材料的相對(duì)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(duì)磁導(dǎo)率一般大于1000),當(dāng)磁芯材料選定后,其相對(duì)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

9、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(duì)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

10、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(duì)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(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)

11、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(duì)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(duì)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)

12、現(xiàn)了對(duì)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(duì)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: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

13、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 =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(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。對(duì)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(duì)于條形結(jié)構(gòu)磁芯線圈,假設(shè)磁芯有效磁路長度

14、le=100lg,此時(shí)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(shí)有效磁導(dǎo)率er=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(duì)有效磁導(dǎo)率影響很大,所以 有效磁導(dǎo)率仍小于相對(duì)磁導(dǎo)率,因此,實(shí)驗(yàn)值遠(yuǎn)小于理論值。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,

15、雖然實(shí)驗(yàn)中磁芯線圈采用不同結(jié)構(gòu),對(duì)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(duì)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e,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(duì)也較小,所以檢

16、測信號(hào)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(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。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得,該方法對(duì)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(duì)封裝過程中存在封裝缺陷的LED進(jìn)行檢測。3結(jié)論針對(duì)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(duì)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)

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