LED芯片封裝缺陷檢測方法研究
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發（fā）布日期（qī）： 2020.07.30
LED(Light-emittingdiode)由（yóu）於壽命長、能耗低等優（yōu）點（diǎn）被廣泛地應用於指示、顯示等領域（yù）。可靠性、穩定性及高出光率是LED取代現有照明光源必須考慮的因素。封裝（zhuāng）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。由於封裝工藝本（běn）身的原因，導致LED封裝過程中存在諸多缺陷(如（rú）重複焊接、芯片電極氧化等)，統計數（shù）據（jù）顯示：焊接係（xì）統（tǒng）的失效占整個半導體失效模式的比例是25％～30％，在國內，由於受到設（shè）備和產量的雙重限製，多數生產（chǎn）廠家采用人工焊接的方法，焊接係統（tǒng）不合格占不合格總數的40％以（yǐ）上。從使用角度分析，LED封裝過程中產生（shēng）的缺陷，雖（suī）然使用（yòng）初期並不影響其光電性能，但在以後的使用過程中會逐漸暴露出來並導致器件失效。在LED的某些應用（yòng）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（guò）程中實現對（duì）LED芯片的檢測、阻斷存在（zài）缺陷的LED進入後序封裝工（gōng）序，從而降低生產成本、提高產品的質量、避（bì）免使用存（cún）在缺（quē）陷（xiàn）的LED造成重大損失（shī）就成（chéng）為LED封裝行業（yè）急需解決的難題。
目前，LED產業的檢測技術（shù）主要集中於封裝前晶片級的檢（jiǎn）測及封裝（zhuāng）完成後的（de）成（chéng）品級檢測，而國內針對封裝過程中LED的檢測技術（shù）尚不成熟。本文（wén）在LED芯（xīn）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（shēng）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（chǎn）生的回路光電（diàn）流的影響，采用電（diàn）磁感應定律測量該回路（lù）光電流，實現（xiàn）LED封裝過程中芯片（piàn）質量及封裝缺陷的檢測。
1、理（lǐ）論分析
1.1p-n結的光生伏特效應[m]根據p-n結光（guāng）生伏特效應，光生電流IL表示為：
式中（zhōng），A為p-n結麵積，q是（shì）電子電量，Ln、Lp分別為電子和空穴的擴散長（zhǎng）度，J表示以光子（zǐ）數計算的平均（jun1）光強，α為p-n結材料的（de）吸收係數，β是量子產額，即每吸收一個光（guāng）子產生的電子（zǐ）一空穴對數。
在LED引腳式封裝過（guò）程中，每個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（diàn）阻，LED支架回路光電流等於芯片光生（shēng）電（diàn）流IL。可見，當p-n結材料和摻（chān）雜濃（nóng）度一定時，支架回路（lù）光電流與光照強（qiáng）度I成（chéng）正比。
1.2封裝缺陷機理（lǐ）
LED芯片受到腐蝕因素影響或沾染油汙時，在芯片電極表麵生成（chéng）一層非金屬膜，產生封裝缺（quē）陷[11]。電極表麵存在（zài）非金（jīn）屬膜層的LED芯片壓焊工序後，焊（hàn）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（céng）足夠厚，隻有極少數電子可以隧穿膜層勢壘，LED支架回路（lù）也無光電（diàn）流流過；若非（fēi）金屬膜層較薄，由（yóu）於LED芯片光生（shēng）電流在隧道結（jié）兩側形（xíng）成電場，電子主（zhǔ）要以（yǐ）場致發（fā）射的方（fāng）式隧穿膜層，流過單位（wèi）麵積膜層的電流可表示為。
其中q為電（diàn）子電量，m為電子質量，矗為普朗克常數，vx、vy、vz分別是電子（zǐ）在x、y、z方向的（de）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
與傳統光源燈具的光學係統相比，LED燈具光學係統具有如下特性：
(1)光學（xué）係統一般由LED芯片（piàn）和透鏡組（zǔ）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（yě）可能在突起的或（huò）凹下的成型基板上，燈具使用、或不使用透光罩。
由（yóu）於LED單元具有2π發光的光度特性，燈具的光（guāng）度係統（tǒng）與傳統光源（yuán）燈有很大區別。
製造商根（gēn）據（jù）照（zhào）明需求，將多個LED單（dān）元或數十個（gè）LED單元組合在（zài）基板上，而這種組合是由燈具製造商完成的，所以必須（xū）控製組合後LED單元光（guāng）色的一致性，考核LED燈具（jù）的色空間（jiān）均（jun1）勻度。
(2)由於LED的（de）光電特性對PN結溫度的變化（huà）非常敏感；封裝樹脂在高溫和強光照射下會快（kuài）速劣化；長期的光（guāng）輻射（shè）會使熒光粉的（de）光致轉換率逐漸降低，並導致色（sè）座標會偏（piān）移（yí）。
在給出LED燈具壽命評價方法時，應考慮溫度的影響（xiǎng），並在限製色偏移的（de）條件下，考核LED燈具的流明維持率。
2、電氣配件
LED驅動（dòng）電源是構成LED燈具性能（néng）優劣的關鍵（jiàn）要素，也是燈具選擇或設計要（yào）件之一。
LED是（shì）2V—3V的低電壓（yā）恒流源驅動（dòng），所以不象普通的白熾燈泡可以（yǐ）直接連接220V的交（jiāo）流（liú）市電，必須要設（shè）計複雜的變換（huàn）電路驅動LED。
LED燈具電氣設計應考慮（lǜ）燈具要使用LED特性和數量、燈具的安（ān）裝地點，以（yǐ）及燈具在電網中的（de）位置來考慮電氣安（ān）全、恒流驅動、抗擾（rǎo）度和EMI，選擇或設計合適的LED驅動（dòng）電源。
LED驅（qū）動電源的可選擇參數包括（kuò）與內部元器件工（gōng）作溫度相關（guān）的測溫點與（yǔ）溫度、驅動方式（shì）(恒壓型、恒流型、或恒壓恒流混（hún）合型)、功（gōng）率因（yīn）數、輸出（chū）電流和（hé）輸出電壓的穩（wěn）定性、單（dān）一功率負載或功（gōng）率範圍負載、能效等級。如是獨立式安裝，外殼（ké）防（fáng）護等級、防觸電類型、浪湧和雷（léi）擊防護（hù）的適宜性也是重要參數（shù）。
除了驅動電源本身以外，它與LED模（mó）組的電氣連接也是LED燈（dēng）具電氣係統的重要組成部分，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（jiē）件、充分絕緣、防觸電（diàn）保護（hù）等（děng），特別應注意的是，由（yóu）於可能存在多（duō）路連接（jiē），未來保證安裝和維護是電氣連接的（de）正確可靠，應對連接件進行識（shí）別，如電源極性標記等。
3、散熱措（cuò）施
與傳統光源燈具一（yī）樣（yàng），LED燈具也是會發熱的，LED燈具的熱來自LED光電轉（zhuǎn）換中的損耗以及LED驅動電源。
傳統電（diàn）光源按發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（wù）體加熱時輻射發光的原（yuán）理做成的光源，而後者是在高溫和電場雙重作用下，直接（jiē）激發（fā）形（xíng）成（chéng）分子發光（guāng），兩者（zhě）的（de）發光過（guò）程都需要熱，同時，產生的熱與發出的光一起向周圍輻射。
LED的（de）發（fā）光原理（lǐ）是（shì）在外加電能量作用下，芯片中PN結電子和空（kōng）穴的輻射複合發生電致（zhì）發光，由於轉換效率的問題，終大概隻有30％的輸入電能（néng）轉化為（wéi）光能，其餘70％的能量主要以非輻射複合發生的點陣振動的形式轉化熱能。需要說明是LED發光過程（chéng）中產生的熱並不是LED達到（dào）標稱工作狀態所需要的（de），相（xiàng）反，LED亮度輸出（chū）與（yǔ）溫度成反比，而（ér）且熱（rè）傳遞的方式不是（shì）輻射而是傳導。
從LED發光原理（lǐ）和熱傳（chuán）遞特性考（kǎo）慮，與傳統燈（dēng）具有很大不（bú）同的熱管理是LED燈具散熱設計（jì）的重要任（rèn）務，其目標有效地將LED芯片的熱有效地傳導出去，並有效地控製（zhì）燈（dēng）具的微環（huán）境，將LED結溫控製在可接受的範圍內。
LED結溫是燈（dēng）具光電性能的關鍵，但由（yóu）於（yú）燈具中LED結溫測量比較困難，可行的評價方法（fǎ）是測量與LED結溫相關的燈具上（shàng）點（diǎn）的溫度，如焊點、基座、燈具外殼等。通過控製這些LED結溫相關點的溫度來控製LED結溫。製造商需確定其燈具產（chǎn）品的LED結溫（wēn）相關的溫度控製點和溫度，如（rú）LED模塊的（de）焊點、基座、燈具外殼等等，製造商確定的（de）這些參（cān）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熱部（bù）件，為了保證（zhèng）具有與LED光源協調（diào）的壽命，LED驅動電源的熱控製也非常重（chóng）要，燈具應選用（yòng）具有相應溫度適宜性的LED驅動電源，如果（guǒ）采用內裝的（de）驅動（dòng）電（diàn）源，燈具（jù）應根據其內環境溫度選擇標有相（xiàng）應tc的驅動電（diàn）源。選擇（zé）獨立安裝的驅（qū）動電源，則應根據安裝地可能的環境溫度選擇具有相應的tc的電源。
4、機械部件（jiàn）和結構
機械的作用是通過（guò）結構設計把燈具的光學係（xì）統、電（diàn）氣（qì）係統和熱係統的位置和相互關係確定下來，使燈具得以在（zài）設定的環境中固定並安全的使用。
傳統燈具的機械係統由固定光源、反射器、燈的控製裝置等部件的結構、軟纜或軟線的走線結構、密封結構、機械（xiè）防護結構、燈具固定結構和燈具（jù）調節結構等部分構成，具體由燈座或光源連接器、燈座安裝（zhuāng）支架、軟線固定架、接線端子座、載線座、密封圈、外殼、燈罩、調節（jiē）手柄和燈具安裝架等組成。
由於LED光源的特性，LED光源有LED模組、自鎮流LED模組和帶有燈頭自（zì）鎮流（liú）LED模組（zǔ）等幾種形式，除了後一種形式以（yǐ）外（wài），其他兩種LED模組不帶（dài）有燈頭，相應（yīng）的（de）LED燈（dēng）具中沒有傳統的燈座，而是采用（yòng）連接件。
5、LED燈具的光生物安全性
LED是窄光束、高亮度的發光（guāng）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出現後，LED光輻射對人體的危害已經引起各方麵的（de）廣泛關注。過去的LED出射光不會對人體造成危害的時（shí）代（dài）也一去不複返了。LED和其它光源一樣（yàng），LED的光輻（fú）射理論上也能對人體造成危害。傷害主要發生在人的（de）眼睛（jīng）和皮膚，如皮膚和眼睛的光化學危害、眼睛的近紫外危害（hài）、視網膜藍光光（guāng）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（shāng）害的是眼睛。
