LED芯片封裝缺陷檢測(cè)方法研究
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網(wǎng)絡(luò)
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瑞凱儀器
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發(fā)布日期： 2020.07.30
LED(Light-emittingdiode)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。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(guò)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：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)，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(guò)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(guò)程中會(huì)逐漸暴露出來(lái)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(guò)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)及封裝完成后的成品級(jí)檢測(cè)，而國(guó)內(nèi)針對(duì)封裝過(guò)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，在LED引腳式封裝過(guò)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(guò)程中芯片質(zhì)量及封裝缺陷的檢測(cè)。
1、理論分析
1.1p-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(guò)程中，每個(gè)LED芯片是被固定在引線支架上的，LED芯片通過(guò)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?，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(wú)光電流流過(guò)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(wú)光電流流過(guò)；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(guò)單位面積膜層的電流可表示為。
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
與傳統(tǒng)光源燈具的光學(xué)系統(tǒng)相比，LED燈具光學(xué)系統(tǒng)具有如下特性：
(1)光學(xué)系統(tǒng)一般由LED芯片和透鏡組成LED單元或LED單元陣列組成，陣列有時(shí)排列在平整的鋁基板上、也可能在突起的或凹下的成型基板上，燈具使用、或不使用透光罩。
由于LED單元具有2π發(fā)光的光度特性，燈具的光度系統(tǒng)與傳統(tǒng)光源燈有很大區(qū)別。
制造商根據(jù)照明需求，將多個(gè)LED單元或數(shù)十個(gè)LED單元組合在基板上，而這種組合是由燈具制造商完成的，所以必須控制組合后LED單元光色的一致性，考核LED燈具的色空間均勻度。
(2)由于LED的光電特性對(duì)PN結(jié)溫度的變化非常敏感；封裝樹脂在高溫和強(qiáng)光照射下會(huì)快速劣化；長(zhǎng)期的光輻射會(huì)使熒光粉的光致轉(zhuǎn)換率逐漸降低，并導(dǎo)致色座標(biāo)會(huì)偏移。
在給出LED燈具壽命評(píng)價(jià)方法時(shí)，應(yīng)考慮溫度的影響，并在限制色偏移的條件下，考核LED燈具的流明維持率。
2、電氣配件
LED驅(qū)動(dòng)電源是構(gòu)成LED燈具性能優(yōu)劣的關(guān)鍵要素，也是燈具選擇或設(shè)計(jì)要件之一。
LED是2V—3V的低電壓恒流源驅(qū)動(dòng)，所以不象普通的白熾燈泡可以直接連接220V的交流市電，必須要設(shè)計(jì)復(fù)雜的變換電路驅(qū)動(dòng)LED。
LED燈具電氣設(shè)計(jì)應(yīng)考慮燈具要使用LED特性和數(shù)量、燈具的安裝地點(diǎn)，以及燈具在電網(wǎng)中的位置來(lái)考慮電氣安全、恒流驅(qū)動(dòng)、抗擾度和EMI，選擇或設(shè)計(jì)合適的LED驅(qū)動(dòng)電源。
LED驅(qū)動(dòng)電源的可選擇參數(shù)包括與內(nèi)部元器件工作溫度相關(guān)的測(cè)溫點(diǎn)與溫度、驅(qū)動(dòng)方式(恒壓型、恒流型、或恒壓恒流混合型)、功率因數(shù)、輸出電流和輸出電壓的穩(wěn)定性、單一功率負(fù)載或功率范圍負(fù)載、能效等級(jí)。如是獨(dú)立式安裝，外殼防護(hù)等級(jí)、防觸電類型、浪涌和雷擊防護(hù)的適宜性也是重要參數(shù)。
除了驅(qū)動(dòng)電源本身以外，它與LED模組的電氣連接也是LED燈具電氣系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)充分考慮這些電氣連接的安全性，包括應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的連接件、充分絕緣、防觸電保護(hù)等，特別應(yīng)注意的是，由于可能存在多路連接，未來(lái)保證安裝和維護(hù)是電氣連接的正確可靠，應(yīng)對(duì)連接件進(jìn)行識(shí)別，如電源極性標(biāo)記等。
3、散熱措施
與傳統(tǒng)光源燈具一樣，LED燈具也是會(huì)發(fā)熱的，LED燈具的熱來(lái)自LED光電轉(zhuǎn)換中的損耗以及LED驅(qū)動(dòng)電源。
傳統(tǒng)電光源按發(fā)光原理分為典型白熾燈的熱幅射光源和熒光燈等的氣體放電光源兩大類，前者是利用物體加熱時(shí)輻射發(fā)光的原理做成的光源，而后者是在高溫和電場(chǎng)雙重作用下，直接激發(fā)形成分子發(fā)光，兩者的發(fā)光過(guò)程都需要熱，同時(shí)，產(chǎn)生的熱與發(fā)出的光一起向周圍輻射。
LED的發(fā)光原理是在外加電能量作用下，芯片中PN結(jié)電子和空穴的輻射復(fù)合發(fā)生電致發(fā)光，由于轉(zhuǎn)換效率的問(wèn)題，終大概只有30％的輸入電能轉(zhuǎn)化為光能，其余70％的能量主要以非輻射復(fù)合發(fā)生的點(diǎn)陣振動(dòng)的形式轉(zhuǎn)化熱能。需要說(shuō)明是LED發(fā)光過(guò)程中產(chǎn)生的熱并不是LED達(dá)到標(biāo)稱工作狀態(tài)所需要的，相反，LED亮度輸出與溫度成反比，而且熱傳遞的方式不是輻射而是傳導(dǎo)。
從LED發(fā)光原理和熱傳遞特性考慮，與傳統(tǒng)燈具有很大不同的熱管理是LED燈具散熱設(shè)計(jì)的重要任務(wù)，其目標(biāo)有效地將LED芯片的熱有效地傳導(dǎo)出去，并有效地控制燈具的微環(huán)境，將LED結(jié)溫控制在可接受的范圍內(nèi)。
LED結(jié)溫是燈具光電性能的關(guān)鍵，但由于燈具中LED結(jié)溫測(cè)量比較困難，可行的評(píng)價(jià)方法是測(cè)量與LED結(jié)溫相關(guān)的燈具上點(diǎn)的溫度，如焊點(diǎn)、基座、燈具外殼等。通過(guò)控制這些LED結(jié)溫相關(guān)點(diǎn)的溫度來(lái)控制LED結(jié)溫。制造商需確定其燈具產(chǎn)品的LED結(jié)溫相關(guān)的溫度控制點(diǎn)和溫度，如LED模塊的焊點(diǎn)、基座、燈具外殼等等，制造商確定的這些參數(shù)應(yīng)以產(chǎn)品信息的方式隨燈具提供。
除了LED以外，LED燈具中的驅(qū)動(dòng)電源也是發(fā)熱部件，為了保證具有與LED光源協(xié)調(diào)的壽命，LED驅(qū)動(dòng)電源的熱控制也非常重要，燈具應(yīng)選用具有相應(yīng)溫度適宜性的LED驅(qū)動(dòng)電源，如果采用內(nèi)裝的驅(qū)動(dòng)電源，燈具應(yīng)根據(jù)其內(nèi)環(huán)境溫度選擇標(biāo)有相應(yīng)tc的驅(qū)動(dòng)電源。選擇獨(dú)立安裝的驅(qū)動(dòng)電源，則應(yīng)根據(jù)安裝地可能的環(huán)境溫度選擇具有相應(yīng)的tc的電源。
4、機(jī)械部件和結(jié)構(gòu)
機(jī)械的作用是通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)把燈具的光學(xué)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和熱系統(tǒng)的位置和相互關(guān)系確定下來(lái)，使燈具得以在設(shè)定的環(huán)境中固定并安全的使用。
傳統(tǒng)燈具的機(jī)械系統(tǒng)由固定光源、反射器、燈的控制裝置等部件的結(jié)構(gòu)、軟纜或軟線的走線結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)、機(jī)械防護(hù)結(jié)構(gòu)、燈具固定結(jié)構(gòu)和燈具調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)等部分構(gòu)成，具體由燈座或光源連接器、燈座安裝支架、軟線固定架、接線端子座、載線座、密封圈、外殼、燈罩、調(diào)節(jié)手柄和燈具安裝架等組成。
由于LED光源的特性，LED光源有LED模組、自鎮(zhèn)流LED模組和帶有燈頭自鎮(zhèn)流LED模組等幾種形式，除了后一種形式以外，其他兩種LED模組不帶有燈頭，相應(yīng)的LED燈具中沒(méi)有傳統(tǒng)的燈座，而是采用連接件。
5、LED燈具的光生物安全性
LED是窄光束、高亮度的發(fā)光器件。隨著在LED的功效不斷增大，亮度不斷提高，尤其是在大功率白光LED出現(xiàn)后，LED光輻射對(duì)人體的危害已經(jīng)引起各方面的廣泛關(guān)注。過(guò)去的LED出射光不會(huì)對(duì)人體造成危害的時(shí)代也一去不復(fù)返了。LED和其它光源一樣，LED的光輻射理論上也能對(duì)人體造成危害。傷害主要發(fā)生在人的眼睛和皮膚，如皮膚和眼睛的光化學(xué)危害、眼睛的近紫外危害、視網(wǎng)膜藍(lán)光光化學(xué)危害、視網(wǎng)膜無(wú)晶狀體光化學(xué)危害、視網(wǎng)膜熱危害和皮膚熱危害等，而兩者之中更容易受到傷害的是眼睛。
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