LED芯片封裝缺陷檢測方法研究
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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、能耗低等優(yōu)點被廣泛地應用于指示、顯示等領域?？煽啃?、穩(wěn)定性及高出光率是LED取代現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)計數據顯示：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，由于受到設備和產量的雙重限制，多數生產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的40％以上。從使用角度分析，LED封裝過程中產生的缺陷，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的某些應用領域，如高精密航天器材，其潛在的缺陷比那些立即出現致命性失效的缺陷危害更大。因此，如何在封裝過程中實現對LED芯片的檢測、阻斷存在缺陷的LED進入后序封裝工序，從而降低生產成本、提高產品的質量、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產業(yè)的檢測技術主要集中于封裝前晶片級的檢測及封裝完成后的成品級檢測，而國內針對封裝過程中LED的檢測技術尚不成熟。本文在LED芯片非接觸檢測方法的基礎上，在LED引腳式封裝過程中，利用p-n結光生伏特效應，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LED封裝過程中芯片質量及封裝缺陷的檢測。
1、理論分析
1.1p-n結的光生伏特效應[m]根據p-n結光生伏特效應，光生電流IL表示為：
式中，A為p-n結面積，q是電子電量，Ln、Lp分別為電子和空穴的擴散長度，J表示以光子數計算的平均光強，α為p-n結材料的吸收系數，β是量子產額，即每吸收一個光子產生的電子一空穴對數。
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-金屬結構，也稱為隧道結。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兩側形成電場，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。
其中q為電子電量，m為電子質量，矗為普朗克常數，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
與傳統(tǒng)光源燈具的光學系統(tǒng)相比，LED燈具光學系統(tǒng)具有如下特性：
(1)光學系統(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。
制造商根據照明需求，將多個LED單元或數十個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PN結溫度的變化非常敏感；封裝樹脂在高溫和強光照射下會快速劣化；長期的光輻射會使熒光粉的光致轉換率逐漸降低，并導致色座標會偏移。
在給出LED燈具壽命評價方法時，應考慮溫度的影響，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驅動電源是構成LED燈具性能優(yōu)劣的關鍵要素，也是燈具選擇或設計要件之一。
LED是2V—3V的低電壓恒流源驅動，所以不象普通的白熾燈泡可以直接連接220V的交流市電，必須要設計復雜的變換電路驅動LED。
LED燈具電氣設計應考慮燈具要使用LED特性和數量、燈具的安裝地點，以及燈具在電網中的位置來考慮電氣安全、恒流驅動、抗擾度和EMI，選擇或設計合適的LED驅動電源。
LED驅動電源的可選擇參數包括與內部元器件工作溫度相關的測溫點與溫度、驅動方式(恒壓型、恒流型、或恒壓恒流混合型)、功率因數、輸出電流和輸出電壓的穩(wěn)定性、單一功率負載或功率范圍負載、能效等級。如是獨立式安裝，外殼防護等級、防觸電類型、浪涌和雷擊防護的適宜性也是重要參數。
除了驅動電源本身以外，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，應充分考慮這些電氣連接的安全性，包括應采用標準的連接件、充分絕緣、防觸電保護等，特別應注意的是，由于可能存在多路連接，未來保證安裝和維護是電氣連接的正確可靠，應對連接件進行識別，如電源極性標記等。
3、散熱措施
與傳統(tǒng)光源燈具一樣，LED燈具也是會發(fā)熱的，LED燈具的熱來自LED光電轉換中的損耗以及LED驅動電源。
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輻射發(fā)光的原理做成的光源，而后者是在高溫和電場雙重作用下，直接激發(fā)形成分子發(fā)光，兩者的發(fā)光過程都需要熱，同時，產生的熱與發(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結電子和空穴的輻射復合發(fā)生電致發(fā)光，由于轉換效率的問題，終大概只有30％的輸入電能轉化為光能，其余70％的能量主要以非輻射復合發(fā)生的點陣振動的形式轉化熱能。需要說明是LED發(fā)光過程中產生的熱并不是LED達到標稱工作狀態(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。
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燈具散熱設計的重要任務，其目標有效地將LED芯片的熱有效地傳導出去，并有效地控制燈具的微環(huán)境，將LED結溫控制在可接受的范圍內。
LED結溫是燈具光電性能的關鍵，但由于燈具中LED結溫測量比較困難，可行的評價方法是測量與LED結溫相關的燈具上點的溫度，如焊點、基座、燈具外殼等。通過控制這些LED結溫相關點的溫度來控制LED結溫。制造商需確定其燈具產品的LED結溫相關的溫度控制點和溫度，如LED模塊的焊點、基座、燈具外殼等等，制造商確定的這些參數應以產品信息的方式隨燈具提供。
除了LED以外，LED燈具中的驅動電源也是發(fā)熱部件，為了保證具有與LED光源協(xié)調的壽命，LED驅動電源的熱控制也非常重要，燈具應選用具有相應溫度適宜性的LED驅動電源，如果采用內裝的驅動電源，燈具應根據其內環(huán)境溫度選擇標有相應tc的驅動電源。選擇獨立安裝的驅動電源，則應根據安裝地可能的環(huán)境溫度選擇具有相應的tc的電源。
4、機械部件和結構
機械的作用是通過結構設計把燈具的光學系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和熱系統(tǒng)的位置和相互關系確定下來，使燈具得以在設定的環(huán)境中固定并安全的使用。
傳統(tǒng)燈具的機械系統(tǒng)由固定光源、反射器、燈的控制裝置等部件的結構、軟纜或軟線的走線結構、密封結構、機械防護結構、燈具固定結構和燈具調節(jié)結構等部分構成，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，相應的LED燈具中沒有傳統(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出現后，LED光輻射對人體的危害已經引起各方面的廣泛關注。過去的LED出射光不會對人體造成危害的時代也一去不復返了。LED和其它光源一樣，LED的光輻射理論上也能對人體造成危害。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危害、眼睛的近紫外危害、視網膜藍光光化學危害、視網膜無晶狀體光化學危害、視網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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