基于LED芯片封裝缺陷檢測(cè)方法研究

摘要：LED(Light-emitting diode)由于壽命長(zhǎng)、能耗低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于指示、顯示等領(lǐng)域?？煽啃?、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(zhǎng)、能耗低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)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(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(guó)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(duì)LED芯片的檢測(cè)、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L(zhǎng)ED封裝行業(yè)急需解決的難題。

　　目前，LED產(chǎn)業(yè)的檢測(cè)技術(shù)主要集中于封裝前晶片級(jí)的檢測(cè)[4-5]及封裝完成后的成品級(jí)檢測(cè)[6-7]，而國(guó)內(nèi)針對(duì)封裝過程中LED的檢測(cè)技術(shù)尚不成熟。本文在LED芯片非接觸檢測(cè)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(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(cè)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(cè)。

　　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(zhǎng)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(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(shì)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(chǎng)，電子主要以場(chǎng)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(shì)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(shì)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(chǎng)f’作用‘F芯片電極表面的勢(shì)壘圖，其中EF為費(fèi)米能級(jí)，U為電子發(fā)射勢(shì)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(chǎng)強(qiáng)度為F，電極表面以外的勢(shì)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x0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(cè)LED支架回路光電流達(dá)到檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量方法難度較大，而且接觸式檢測(cè)會(huì)引入接觸電阻，影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。因此，考慮用非接觸式的電流檢測(cè)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(cè)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(chǎng)，次級(jí)線圈交變磁場(chǎng)則在次級(jí)線圈中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。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(shì)最大。因此，可以通過檢測(cè)次級(jí)線圈兩端感生電動(dòng)勢(shì)間接達(dá)到檢測(cè)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(cè)。

　　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(cè)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，μe磁芯的有效磁導(dǎo)率，脅為磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率，μr為磁芯的有效磁路長(zhǎng)度，名為非閉合氣隙長(zhǎng)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：

　?、俅判静牧系南鄬?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。

　?、诖判镜挠行чL(zhǎng)度le、非閉合氣隙長(zhǎng)度lg，它們由磁芯的結(jié)構(gòu)決定。微弱電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)易受外界因素干擾，磁路越長(zhǎng)，干擾越大，所以磁芯的有效長(zhǎng)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(cè)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。