LED芯片/器件封裝缺陷的非接觸檢測技術(shù)
3.2LED光伏特性的等效電路
對于支架式封裝的LED而言,在封裝過程中是將一組連筋的支架裝夾在封裝機上,然后將芯片與支架封裝在一起,構(gòu)成圖1所示的支架封裝結(jié)構(gòu)。由圖1(b)、(c)可以看出,LED的支架、支架連筋、引線、銀膠與LED芯片一起,構(gòu)成了一個完整的外電路短接通道,正符合光伏效應(yīng)的工作要求。而對于LED封裝質(zhì)量的常規(guī)檢測方法而言,這種工作條件是完全無法開展檢測的。
由于實際的LED并不是一個單純的理想PN結(jié),它不僅包含PN結(jié)的內(nèi)阻、并聯(lián)電阻及串聯(lián)電阻,還包含支架、支架連筋、引線、銀膠,因此PN結(jié)在外界光照下產(chǎn)生的光生伏特效應(yīng)形成的光生電流IL并不完全等于流過支架的光生電流IL1。因此支架上流過的電流是LED光電參數(shù)的綜合反映。
若將引線支架的內(nèi)阻RL看作是光照時LED的負載、PN結(jié)光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生的光生電流IL看作為一個恒流源,則光照時LED的等效電路如圖2所示。即工作于光生伏特效應(yīng)下的LED由可等效為一個理想電流源IL、一個理想二極管D、以及相應(yīng)的等效串、并聯(lián)電阻Rsh、Rs。其中等效并聯(lián)電阻Rsh包括PN結(jié)內(nèi)的漏電阻以及結(jié)邊緣的漏電阻,而等效串聯(lián)電阻Rs包括P區(qū)和N區(qū)的體電阻Rs1、電極的電阻以及電極和結(jié)之間的接觸電阻Rs2,且
而IL1是引線支架上流過的負載電流,IF是流過理想二極管D的正向電流,它與二極管兩端的電壓VD滿足關(guān)系式:
式中Is是二極管的反向飽和電流,η是與PN結(jié)電流復(fù)合機制有關(guān)的一個參數(shù),它們都是由LED芯片的特性決定。因此IF反映了LED的芯片特性。
根據(jù)圖2所示的等效電路,可以得到光生電流IL與支架上流過的電流IL1的關(guān)系為:
由式(7)可以看出,對于LED封裝產(chǎn)品而言,外線路上的電流IL1由兩部分組成,其中分子部分主要反映芯片的內(nèi)在質(zhì)量,而分母則主要反映芯片外部的器件質(zhì)量(如封裝過程中存在的固晶膠連、引線焊接質(zhì)量等諸多缺陷)。因此只要檢測連筋上的光電流,既可全面掌握LED芯片/器件的封裝質(zhì)量。
4、LED封裝質(zhì)量非接觸在線檢測的弱信號檢測技術(shù)
4.1系統(tǒng)實現(xiàn)原理
考察圖1(b)、(c)及式(7)可知,在LED壓焊之后、灌膠之前,就已經(jīng)形成了LED光伏效應(yīng)必須的短接電路,因此可以在壓焊后、灌膠前,利用LED的光伏效應(yīng)對芯片質(zhì)量、固晶質(zhì)量、壓焊質(zhì)量進行檢測,及時挑出次品進行人工修補,并根據(jù)檢測結(jié)果對LED封裝生產(chǎn)線的相應(yīng)工藝參數(shù)進行實時修正,進一步控制次品率。而在環(huán)氧封裝完成后、切筋前的環(huán)節(jié),則還可以再次利用LED的光伏效應(yīng)對封裝的效果進行非接觸檢測,指導(dǎo)對環(huán)氧灌膠、固化工藝的實時調(diào)整,剔除次品/廢品。
根據(jù)圖1及式(7)可知,利用LED的光伏效應(yīng)進行芯片/封裝的非接觸檢測,其關(guān)鍵有三,一是用特定光束準確地照射到LED芯片上,非接觸地提供光伏效應(yīng)所需的光激勵;二是用特殊的技術(shù)手段不,非接觸地獲取支架回路中的光生電流;三是根據(jù)獲取的光生電流,對芯片的質(zhì)量缺陷進行判斷。為此采用圖3所示原理系統(tǒng),實現(xiàn)LED的非接觸檢測[5][6]。
其中半導(dǎo)體激光器LD發(fā)出的光經(jīng)聚焦后投射到LED芯片上,以對LED激發(fā)使其產(chǎn)生光伏效應(yīng)。而在信號的采集環(huán)節(jié),采用電磁耦合方式獲取LED在光照下輸出的電流信號,以實現(xiàn)非接觸測量。最后采用采用式(7)對光電流進行計算處理,對LED的質(zhì)量進行判別,并找出影響封裝質(zhì)量的原因,區(qū)分出芯片、封裝的因素。
雖然在光照下LED會產(chǎn)生光伏效應(yīng),但其光伏效應(yīng)遠遠弱于作為光電探測器的光電二極管PD,因此其光生電流IL極為微弱,只有微安數(shù)量級,因此非接觸地獲取支架回路中的光生電流,是其中技術(shù)難度最大的一個關(guān)鍵。雖然采用電磁耦合方式可實現(xiàn)LED光生電流的非接觸測量,但是電磁耦合的方式同時也會耦合進了空間電磁場,這些外界電磁場噪聲與干擾遠遠比光生電流IL強,因此從強烈的外界電磁場信號中提取出十分微弱的光生電流IL非常困難。為此采用抗混濾波、鎖相放大的組合方式,實現(xiàn)了從強烈的環(huán)境噪聲中分離光生電流IL的目的。
4.2系統(tǒng)驗證實驗
利用圖3所示原理系統(tǒng),搭建了試驗平臺,對數(shù)組支架式LED封裝產(chǎn)品進行了原理驗證實驗。實驗條件是支架式LED封裝環(huán)氧封裝脫模后、但尚未切斷連筋的成品組。主要實驗有系統(tǒng)檢測效果的綜合定性實驗、芯片固晶錯位對LED輸出光生電流影響的模擬實驗、引線焊接質(zhì)量對LED輸出光生電流的模擬影響實驗等[4][5]。
4.2.1不同芯片LED的對比實驗
圖4是不同芯片LED的對比實驗效果。其中圖4(a)、(b)、(c)分別是三只不同芯片LED在同等條件下的對比實驗,圖4(d)則是沒有LED的輸出結(jié)果(相當于純粹環(huán)境噪聲的結(jié)果)。從圖4可看出,不同芯片的差異得到了充分的體現(xiàn);而且從表1可看出,30次實驗重復(fù)結(jié)果有極好的一致性。另外從圖4還可以看出,每只LED的檢測時間僅5毫秒,如果按1:1的信號占空比計算,則在不考慮機械運動與慣性的條件下,純粹從電氣處理的角度看,此方法可以達到100只/秒的檢測速度。
4.2.2LED芯片固晶錯位影響的模擬實驗
當固晶位置有偏差時,芯片將偏離環(huán)氧透鏡球心位置,這時入射的激光束經(jīng)透鏡后將產(chǎn)生偏折而不能全部聚焦到芯片上,導(dǎo)致芯片接受到得總光強P變?nèi)?。由式?)可以看出,入射光強P的變化將引起IL1的線性變化。因此系統(tǒng)輸出的信號強度,也能反映固晶的質(zhì)量。為此通過調(diào)整照射LED的激光光源強度,來模擬固晶偏差,其實驗結(jié)果如圖5所示,與(7)式完全吻合。
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