LED芯片封裝缺陷檢測方法

LED(Light-emittingdiode)由于壽命長、能耗低等優(yōu)點被廣泛地應用于指示、顯示等領(lǐng)域?？煽啃浴⒎€(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，導致LED封裝過程中存在諸多缺陷(如重復焊接、芯片電極氧化等)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[1-2]：焊接系統(tǒng)的失效占整個半導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逐漸暴露出來并導致器件失效。在LED的某些應用領(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現(xiàn)對LED芯片的檢測、阻斷存在缺陷的LED進入后序封裝工序，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，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1.1p-n結(jié)的光生伏特效應[m]根據(jù)p-n結(jié)光生伏特效應，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散長度，J表示以光子數(shù)計算的平均光強，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?？梢姡攑-n結(jié)材料和摻雜濃度一定時，支架回路光電流與光照強度I成正比。1.2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)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。由圖編灶2，磁若芯軟片電尾極表榴面為針突變堂結(jié)，傍其值驗為U香0，尼光生想電流荒在隧微道結(jié)刻兩側(cè)刺形成尤的電退場強交度為似F，國電極底表面覆以外襖的勢忽壘為撇U0讀-間qF牛x。跳取芯脊片電慰極導繳帶底容為參思考能沙級E珍0(突x=腸0)瘡，因暮而有闖x<閉0處籮，U并(x賢)=王0;州x>犬0處錦，U跌(x研)=慰U0梅-狠qF琴x，巡根據(jù)惠條件褲U(池x)裁=E傾=U士0-蓄q詢Fx啟2式貢中d顯為膜滅層厚妹度，扭V為痛膜層及隧道嶼結(jié)兩蒙側(cè)電雷壓。任當L階ED苗芯片求發(fā)生外光生型伏特溜效應長時，章由式心(7皂)可婦知，奪流過姨芯片甜電極家表面季非金冶屬膜調(diào)層的聯(lián)電流鳳受到賣膜層掃厚度彎的哥影響刑，隨躬著膜膜層增顆厚，染流過瘡膜層求的電意流減烤小，揀流過磁LE擠D支找架回臨路的政光電京流也方將減歡小。切綜釘上所廚述，那引腳聚式L醉ED覆支架解回路壘光電盼流的溪有無雨或大乖小可流以反貸映封讓裝工斜藝中交LE故D芯逃片的遼功能左狀態(tài)孫及芯儀片電蹲極與沸引線荷支架均的電階氣連當接情墓況，扣因此運，可辱以通舅過甩檢測急LE假D支或架回慚路光裝電流棕達到竭檢測病引腳稼式封司裝工姿藝中渠芯片謙功能嗽狀態(tài)猾和封三裝缺嶄陷。般1盒.3域封裝至缺陷辱的檢效測方夢法諸厘完成期壓焊嗓工序砌后，獸LE隔D處天于閉珠合短揚路狀該態(tài)，陡直接環(huán)導出攤回路絞電流來進行滔檢測掩不可坐行。耳雖然擔支架故回路蟻有一覽定電猜阻，敘但光福生電灑流只津有微廟安量射級，姓因而余支架蔬回路艦中夜的壓路降非泊常小攜，用帥一般些的電謎壓測臘量方很法難扶度較字大，捆而且標接觸鬧式檢那測會言引入能接觸譯電阻求，影掌響檢沉測的藍準確涉性。泛因此坦，考懲慮用陰非接董觸式服的電臟流檢膠測方粒法。鼠根據(jù)紐法拉躺第電紹磁感冰應明定律珠，利詠用引奴腳式添LE構(gòu)D自老身特子征，魯檢測欲時將貓帶磁現(xiàn)芯線棉圈中財磁芯隊的一山端插憤入圖漆1所忠示閉紛合回格路z擾中，旅LE銅D支雷架回蠶路作褲為一直級繞壽組，郊帶磁決芯線協(xié)圈作獅為次予級繞膜組，明并時在線腦圈的芽兩端扮并聯(lián)躺上電睬容C灑，與砌線圈撇L組料成L瞎C諧哄振回僻路。播以交灶變的秋光激令勵L縮ED勵芯片汽時，蠟支架恩回路淹中產(chǎn)額生交怒變電另流，微交流國載流守回路資會在箭周圍粘空間腳產(chǎn)生元交變題磁場托，次組級榮線圈利交變臘磁場侮則在蠶次級責線圈租中產(chǎn)洋生感凈生電視動勢印。若密交變季光頻援率與眨LC喝諧振潤回路舍頻率陣相等宿時，涌LC展回路均發(fā)生檢共振巨，此巨時次芽級線何圈兩牲端感鑒生電采動勢仍最大毛。因樓此，碑可以誠通升過檢嫩測次阿級線蛙圈兩貸端感愛生電芹動勢妙間接格達到脹檢測投支架碗回路坊光電杜流的緊目的泄，實嚷現(xiàn)對任封裝補工藝拐中芯陶片功楚能狀赴況及督焊接圣質(zhì)量記的檢伙測。休星LC裂諧振已回路械中，騙線圈化中磁仰芯起教到增餅強磁糞感應貸強度千B的籠作用席，從趁而增湖加檢脊測信膽號幅負值。剩又線報圈中珍磁芯刮的有五效磁粗導率要與相功對磁晝導率零間關(guān)漲系可錯表示六為霧[1遵4]謝：師風式中架，μ蒸e磁崗芯的形有效慈磁導胳率，夾脅為佳磁芯快的相敲對磁倦導率核，μ異r為鳥磁芯捧的有仙效磁噸路長努度，營名為桂非閉馬合氣翁隙長凈度。撥艙由式周(8要)可軌以看為出，鋼影響扁有效澤磁導扒率脅稼從而蓮影響勺磁感今應強犧度B五的參股數(shù)有并：測爹①磁焦芯材珍料的怎相對只磁導鋸率脅漁。與疫所選姥軟磁徐磁芯債材料仗有關(guān)戀(軟雖磁材墳料初釀始相狹對磁撓導率額一般厲大于渾10群00坐)，觸當磁肢芯材架料選蟻定后驚，其桿相對刊磁導膜率為戀確定廢值?；枭n②磁娃芯的蔽有效寸長度況le甚、非標閉合意氣隙是長度頓lg上，它嶄們由勉磁芯阻的結(jié)女構(gòu)決驅(qū)定。營微弱嚇電流兆產(chǎn)生室的磁脆場易秧受外跡界因眨素干暗擾，份磁路械越長探，干息擾越拜大，西所以迎磁芯傳的有寺效拒長度定宜短休。綱千在磁懷芯材掠料確陜定的臺情況躬下，叫為了育得到梨較大裁磁感胞應強教度B救，需族改變場線圈等中磁難芯的抹結(jié)構(gòu)敬。若抽磁芯竹結(jié)構(gòu)末設(shè)計偽為環(huán)噴形，蛙由式繞(8瓦)知虧，磁蘇感應麻強度撲B增糾大倍側(cè)數(shù)理丘論遍上與屋磁芯喇的相志對磁敬導率殲盧，貧大小艘相等柔，檢睛測信矮號幅曠值將杜達到象最大飛。與濟條形鄰磁芯指同種造材質(zhì)疊的u凈型磁編芯上割搭接咱一塊燭條形意磁芯禁就構(gòu)省成環(huán)販形磁猶芯線閱圈，備其搭鮮接方膜式有殘兩種當，如斬圖撒3示維。泊秋檢測殖時將足繞有韻線圈連的U跌型磁蘆芯的忙一端薦插入購圖1雙所示武1閉趴合回泄路，閥感應名LE況D支德架回毒路中濕回路邀電流丙產(chǎn)生芬的交弟變磁主通，映再將哀條形央磁芯稠搭接謝在U酷型磁慎芯上感，使虛感置應磁浴路閉仿合。豐由于唇搭接墳方式未不同詳，兩來種搭五接方幣式的訊磁芯盆線圈至處在漫支架汪回路逼所產(chǎn)屢生的認交變盟磁場司中時侄，其括搭接瀉處磁蔑路也糞將不習同，證用A鉛ns勒of狐t頭Ma屈xw避EL祝l軟歪件仿樹真兩未種搭毯接方秋式的躍磁芯生搭接墊處在展交變梅磁場衛(wèi)中的妙磁回濟路，征結(jié)果種如圖測4示俯鍛圖4送中(氣a)鐘、(切b)挨仿真熔結(jié)果惜對應色于圖歡3中劣(a寄)、毒(b脅)兩揉種線扯圈磁育芯搭抬接方導式。仍比較淘兩種藝線圈哀磁芯逐搭接輸處磁萄路仿遠真結(jié)索果可律以看料出：跳①圖談3(去a)惑示請磁芯融搭接知處磁脹路在勇空氣辜介質(zhì)辜中的六回路倦最短堂，所搞受磁橡阻最遼小，鞠因此洲磁損里耗也棋最小菌。②研由于壩待測沾LE逗D支促架回法路電盟流為辱微安固量級做，激喉起的喊磁場群較小霸，易瞇受空退間電偵磁場紛的干柏擾閉，圖豐3(悟b)估示磁網(wǎng)芯搭秩接處弓磁路魔暴露漸在空冶氣介匪質(zhì)中妙較多努，受拴干擾棋的幾冤率較擱大。杯由上牛述分判析，猾圖3捕(a壺)磁封芯搭氣接方馳式較更優(yōu)，袋可以擺增強梳信號變檢測險端抑窗制干費擾能卻力，顯增西加檢辮測信獸號幅航值，椅一定桿程度括上提殺高光景激勵屠檢測乞信號互信噪徒比，鼓進而鄭提高翠缺陷籮檢測年精度川。夸2筋實驗輝及分吊析誕欺2.聰1實著驗拒棄為了穩(wěn)比較纖條形蒸磁芯否線圈偵與環(huán)呢形磁氏芯線祥圈對監(jiān)封裝擋缺陷揮檢測習精度勸的影獎響，執(zhí)現(xiàn)分喜別使誘用條奔形磁哀芯線假圈和村圖3后(a牧)示初環(huán)形標磁芯迷線圈濱進行怕實驗桐。磁魯芯材恥料為銅P劃C4球0，窯其初笑始相膝對磁煩導率當約為餅23酬00暑，條永形磁習芯的浪外形淡幾何搭尺寸挨為1饅.6牛mi沒nx協(xié)3.遷2r虎am稿×2球0m懲m，裝線圈鼠匝數(shù)度為3跪00聚匝;歪環(huán)形躍磁芯歪橫截頭面尺堪寸為就1叢.6為mm鋒×3游.2星mm屑，其龍有效尋磁路屢長度忙約等托于條賣形磁反芯，葡線圈撥匝數(shù)從為3濁00仁匝。傅實驗福中激食勵光絮源為誼一種摟超高峽亮度俱貼片池式白漏光L繁ED暴，激弄勵光董源用仗占空稍比為昌50但%史的方循波信肌號驅(qū)薄動，每方波皆信號前可由看一系曉列正供弦變列化的示信號塌疊加薦而成宰，使調(diào)其基錦頻與攜諧振病回路帶的工玩作頻腹率相漲同，料即L畜C諧苗振回賓路實使現(xiàn)了驗對方得波信犁號的妄選頻裕，所閉以穿段過線導圈磁蛇通爽鏈的頸變化吐率就靈是方繳波基諸頻信貞號的役變化曾率;龜檢測煙對象披分別簽是G俘aP黑材料鐮12奸mi政l黃恭色焊子接質(zhì)罪量合懇格的女LE積D和然焊接冒過程佛中芯饒片電炊極有意非金揚屬膜包的L臂ED姨。從采線圈悅兩膠端輸遞出的謎信號省經(jīng)放陶大、類濾波責、峰軟值檢迎波后階見圖年5。瞧實驗芳中放格大器旋的放勁大倍致數(shù)為污10位3倍電。亮榮2.砌2結(jié)險果分挺析叨匠本文肉介紹濃的醫(yī)LE房D芯劉片他封裝請缺陷職檢測嶄方法袖是通列過檢都測L羅ED群支架它回路涂光電悲流間生接實脫現(xiàn)的番。由寒圖5圓可以規(guī)看出史，支悲架回石路光脈電流槽激發(fā)步的磁偽場在經(jīng)不同折磁芯年結(jié)構(gòu)覺線販圈兩榴端感芽生電夸動勢佛大小寺不同倚;不辰同磁香芯結(jié)盡構(gòu)線市圈，蛙檢測魔信號劣的信絡噪比凳差異浙較大呼。具宋體表殲現(xiàn)為能：姥坐①焊疊接質(zhì)樓量合痛格的爹LE麻D，炮實驗秀檢測資值與邪理論坐計算嫁值相敢吻合造。圖賓5(還a)窮為使亡用條目形線蘋圈磁而芯的光實驗禽結(jié)果博，封及裝工且藝中曾焊接縮質(zhì)量陵合格分的L糟ED苗，信灰號檢俗測塞端產(chǎn)腥生的法光激壯勵信切號經(jīng)復放大扮、濾待波、波峰值幣檢波少后幅霜值約黎為6鋒0m曬V?；柽x1掘2m撞il膏黃色泊LE為D芯朵片進跑行理肝論值大計算寬，芯蒼片面婆積A緒=0文.3妄mm局×0痰.3第mm話，取伯β脆=0糕.5黎當單么位時蓋間內(nèi)興單位責面積健被半升導體弓材料率吸收辦的平萄均光駝強(鳥以光肌子數(shù)皺計)匹為5折.4抵5×剛10中21乓個/警m2膽s時蹤，由菊式(腳1)諸可計石算出虧光生聾電流碌約為宋42脾μA廈。刑由畢素奧-掛薩伐龜爾定復理、橫疊加阻定理價及法海拉第鹿電磁眼感應蕩定律敬，可疏求得憑12韻mi宜l黃沃色L孩ED荒芯片提在信葉號檢耽測端慶感生欄電動剩勢幅捉值約廁為6冰3m飾V,噴去除劑實驗鼠誤差蜂和計女算誤千差，鍛理戀論值犧和實匙驗值鐘較好穩(wěn)地吻龍合。北適②對祖于環(huán)秒形結(jié)哥構(gòu)磁藍芯線害圈，靈實驗革值較拒理論揭值小輕。根鄰據(jù)式童(8核)，蔥對于乓條形送結(jié)構(gòu)羽磁芯放線圈題，假終設(shè)磁丹芯有表效磁襯路長竹度l弦e=溜10藥0l承g(shù)，傲此時刃有效蹲磁導鵝率鄉(xiāng)μe缸≈1甘00豈。若院磁芯校改為冊環(huán)形背，則揪非閉歡合氣冰隙長星度l婆g≈察0，現(xiàn)此時柄有效烏磁導銅率μ剖e≈金μr牌=2句30澡0，秘由理旁論計至算可拾知，屠12趁mi抗l黃宗色焊趟接質(zhì)譜量合子格L揭ED滾在信豆號戒檢測還端感謙生電朝動勢搜幅值炮約為互1.疑4V勸;由社圖5零(b悄)知護，實瓶驗得杜到信膝號值歉約為裝22雄0m忽V，附實驗忠值遠悲小于艱理論遣值。來上述遲計算束是在訓理想洲情況僅下進剩行的嘴，在繼實際梯實驗縮過鉗程中拔，環(huán)旁形磁毀芯線版圈是酸由U才形磁膏芯和歇條形漿磁芯巾搭接音而成澇的，斗搭接蟻處氣隊隙l莫g仍跳然存慕在，群因而闖磁路繭不可處能完怪全閉定合，法由式騙(8末)知芳，氣淹隙對災有效蘆磁導全率影矮響很馬大，寶所以毀有和效磁坐導率拋仍小佛于相器對磁錘導率鏡，因浴此，第實驗涼值遠蝴小于晌理論狂值?；奂t不同仇磁芯蝕結(jié)構(gòu)智均可規(guī)實現(xiàn)名LE城D封簡裝缺拆陷的火檢測弱，但貿(mào)檢測慎信號服的信罰噪比共差異全較大榮。由主圖5甘可以剪看出匠，雖候然實寒驗中旱磁芯埋線圈逢采用俗不同議結(jié)構(gòu)柱，對仔于焊核接質(zhì)兆量合瀉格罩的L鴉ED民，其趨光激脅勵檢謠測信詢號均萬明顯則大于癢封裝業(yè)過程帝中芯愉片電找極表瘋面存餡在非挨金屬桂膜的勸LE晌D光洗激勵央檢測勉信號般，通恐過比野較兩刃者檢蒙測信腹號幅啞值的廈大小懼，可中將封清裝過暈程中丈芯片勤電漁極表見面存仰在非誼金屬飯膜的均LE過D撿耍出。焦對圖況5(浙a)鳴，實露驗使遮用的置線圈析中磁紅芯為網(wǎng)條形嘩結(jié)構(gòu)是，存潮在氣急隙l陜g，口磁感仙應強這度B委增強榆倍數(shù)穿為有或效磁糾導率概μe罪，同餡時檢獨測信磚號郊易受鋪外界培干擾班，因燃而檢轎測信們號幅壓值較木小且槽存在雜較大屬的檢浙測噪災聲，憑使得幕兩種牽芯片愁光激栗勵信秀號信侮噪比驕都較星小，稿給后棚端信出號處以理帶纏來難泳度，預影響紋封裝雜缺陷董檢測潔的精胸確度恥。將丸線撞圈中昌磁芯柔搭接喜成環(huán)鍛形后頑構(gòu)成班閉合呈磁回偉路，器磁感恩應強串度B前得到宣有效許增強慎，磁沉損耗翻較小太，受受到空票間電饒磁場杰的干網(wǎng)擾相蒙對也心較小套，所哀以檢憐測信虧號信途噪比煎得到息顯著脹改善口。志盟④不廳同磁額芯結(jié)鴨構(gòu)影糞響諧外振回虹路的弦工作霧頻率堆。實獎驗過罵程中除，L融C諧母振回犁路的拳電容叫C相染等，摧環(huán)形緞磁芯及的有托效磁靠導率閘大于壁條形荒磁芯駱的有聯(lián)效磁值導率圈，因辦而環(huán)炮形磁戒芯金線圈組的電仗感L健大于妖條形寨磁芯奏線圈杜的電座感，銳所以牽其諧盾振回倉路的篇諧振般頻率準較小倚;從饅圖5挨可以攔看出細，條亂形磁柏芯線隊圈構(gòu)護成的灰諧振毛回路摘的諧浪振頻逃率約牲為9激.7擦5k晃Hz旗，而添環(huán)形肯磁身芯線子圈構(gòu)召成的辰諧振序回路余的諧荷振頻叉率約射為7刑.3怎3k昨Hz織。字嘴⑤理梁論分盞析和殘實驗鏟結(jié)果轎分析徐可得特，該菊方法霉對L化ED縣支架嚼回路久電流質(zhì)具有鐘較高磚的檢火測精擺度，羞通過碑檢測衛(wèi)支架孕回路航電流達激起甩的磁糠場在蛙線圈網(wǎng)兩端具感生央出電虎動勢梁的大尤小客，并月與焊浪接質(zhì)泊量合玩格的憑LE