基于LED芯片封裝缺陷檢測方法研究

　　檢測時將繞有線圈的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，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，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)，可以增強信號檢測端抑制干擾能力，增加檢測信號幅值，一定程度上提高光激勵檢測信號信噪比，進而提高缺陷檢測精度。

　　2實驗及分析

　　2.1實驗

　　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)形磁芯線圈進行實驗。磁芯材料為PC40，其初始相對磁導率約為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。實驗中激勵光源為一種超高亮度貼片式白光LED，激勵光源用占空比為50%的方波信號驅(qū)動，方波信號可由一系列正弦變化的信號疊加而成，使其基頻與諧振回路的工作頻率相同，即LC諧振回路實現(xiàn)了對方波信號的選頻，所以穿過線圈磁通鏈的變化率就是方波基頻信號的變化率;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經(jīng)放大、濾波、峰值檢波后見圖5。實驗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)線圈兩端感生電動勢大小不同;不同磁芯結(jié)構(gòu)線圈，檢測信號的信噪比差異較大。具體表現(xiàn)為：

　　①焊接質(zhì)量合格的LED，實驗檢測值與理論計算值相吻合。圖5(a)為使用條形線圈磁芯的實驗結(jié)果，封裝工藝中焊接質(zhì)量合格的LED，信號檢測端產(chǎn)生的光激勵信號經(jīng)放大、濾波、峰值檢波后幅值約為60mV。選12mil黃色LED芯片進行理論值計算，芯片面積A=0.3mm×0.3mm，取β=0.5當單位時間內(nèi)單位面積被半導體材料吸收的平均光強(以光子數(shù)計)為5.45×1021個/m2s時，由式(1)可計算出光生電流約為42μA。由畢奧-薩伐爾定理、疊加定理及法拉第電磁感應定律，可求得12mil黃色LED芯片在信號檢測端感生電動勢幅值約為63mV,去除實驗誤差和計算誤差，理論值和實驗值較好地吻合。

　　②對于環(huán)形結(jié)構(gòu)磁芯線圈，實驗值較理論值小。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，此時有效磁導率μe≈100。若磁芯改為環(huán)形，則非閉合氣隙長度lg≈0，此時有效磁導率μe≈μr=2300，由理論計算可知，12mil黃色焊接質(zhì)量合格LED在信號檢測端感生電動勢幅值約為1.4V;由圖5(b)知，實驗得到信號值約為220mV，實驗值遠小于理論值。上述計算是在理想情況下進行的，在實際實驗過程中，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，氣隙對有效磁導率影響很大，所以有效磁導率仍小于相對磁導率，因此，實驗值遠小于理論值。

　?、鄄煌判窘Y(jié)構(gòu)均可實現(xiàn)LED封裝缺陷的檢測，但檢測信號的信噪比差異較大。由圖5可以看出，雖然實驗中磁芯線圈采用不同結(jié)構(gòu)，對于焊接質(zhì)量合格的LED，其光激勵檢測信號均明顯大于封裝過程中芯片電極表面存在非金屬膜的LED光激勵檢測信號，通過比較兩者檢測信號幅值的大小，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)，實驗使用的線圈中磁芯為條形結(jié)構(gòu)，存在氣隙lg，磁感應強度B增強倍數(shù)為有效磁導率μe，同時檢測信號易受外界干擾，因而檢測信號幅值較小且存在較大的檢測噪聲，使得兩種芯片光激勵信號信噪比都較小，給后端信號處理帶來難度，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，磁感應強度B得到有效增強，磁損耗較小，受到空間電磁場的干擾相對也較小，所以檢測信號信噪比得到顯著改善。

　?、懿煌判窘Y(jié)構(gòu)影響諧振回路的工作頻率。實驗過程中，LC諧振回路的電容C相等，環(huán)形磁芯的有效磁導率大于條形磁芯的有效磁導率，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。

　?、堇碚摲治龊蛯嶒灲Y(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勢的大小，并與焊接質(zhì)量合格的LED的檢測信號進行比較，實現(xiàn)對封裝過程中存在封裝缺陷的LED進行檢測。

　　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，利用電子隧穿效應分析了一種封裝缺陷對LED性能的影響。理論分析表明，當LED芯片電極表面存在非金屬膜層時，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，其檢測信號減小。通過非接觸法檢測待測LED光激勵信號并與焊接合格的LED光激勵信號進行比較，實現(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樣品進行實驗，結(jié)果表明，該方法可以檢測LED支架回路微安量級光生電流信號，并具有較高的信噪比，檢測結(jié)果能實現(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。