LED芯片封裝缺陷檢測方法研究
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發布日期： 2020.07.30
LED(Light-emittingdiode)由於壽命長、能耗低等優點被廣泛地應用（yòng）於指示、顯示等領域。可靠性、穩定性（xìng）及高出光率是（shì）LED取代現有照明光源（yuán）必須考慮的因素（sù）。封裝工藝是影響（xiǎng）LED功能作用的主要因素之一，封裝（zhuāng）工藝關鍵工序有裝架、壓焊、封裝。由於（yú）封（fēng）裝工藝本身的原因，導致LED封裝過程中存在諸多缺陷(如重複焊接、芯片電（diàn）極氧化等)，統計數據顯示：焊接（jiē）係（xì）統的失效占整個半導體失效模式的比（bǐ）例是25％～30％，在國內（nèi），由於受到設備和產（chǎn）量的雙重限製，多數生產廠家采用人工焊接的方法，焊接係統不合格占不合格總數的40％以上。從（cóng）使用角度分析，LED封裝過程中產生的缺陷，雖然使用初期並不影響（xiǎng）其光電（diàn）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的某些應用領域，如高精密航天器材，其潛在的缺陷比（bǐ）那些（xiē）立（lì）即出現致命性失效的（de）缺陷危害更大（dà）。因此，如何在（zài）封裝過程中實（shí）現對LED芯片的（de）檢測、阻斷存在缺陷的LED進入後序封裝工（gōng）序，從而降（jiàng）低生產成本、提高產品的質量、避免使（shǐ）用存在缺陷的LED造成重大損失就成為（wéi）LED封裝行業急需解決（jué）的難題。
目前，LED產業的檢測技術主要集中於封裝前（qián）晶片級的檢測及封裝完成後的成品級檢測，而國內針對封裝過程中LED的（de）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（fèn）析了封裝缺陷對光照射LED芯片在引線支架中產生（shēng）的回（huí）路光電流的影響，采用電磁感應（yīng）定律測量該回路光電流（liú），實現LED封裝過程中芯片質（zhì）量及封裝缺陷的檢（jiǎn）測。
1、理論分析
1.1p-n結的光（guāng）生（shēng）伏特效應[m]根據（jù）p-n結光生（shēng）伏特效應，光生電流IL表示為：
式中，A為p-n結麵積（jī），q是電子電（diàn）量，Ln、Lp分別為電子和空（kōng）穴的擴（kuò）散長度（dù），J表示以光子數計算的（de）平均光強，α為p-n結材料的吸收（shōu）係數，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（zhuāng）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（jīn）絲(鋁絲)與引線（xiàn）支架形成了閉合回路，如圖1。若忽略引（yǐn）線支架電阻，LED支架回路光電流等於（yú）芯片光（guāng）生電流IL。可見，當p-n結材料和摻雜濃度一定時，支架回路（lù）光電流與光照強度I成正比。
1.2封裝缺陷機（jī）理
LED芯（xīn）片受到腐蝕（shí）因素影響或沾染油汙時，在芯片電極表麵（miàn）生成一層非金屬膜，產生封裝缺陷[11]。電極表麵存在非金（jīn）屬膜層的LED芯片壓焊（hàn）工序後，焊接處形成金屬一介（jiè）質（zhì）-金屬結構，也稱為隧道結。當一定強度的（de）光照射在LED芯片上，若LED芯片失效，支（zhī）架回路無光（guāng）電流流過若非金屬膜層足夠厚，隻有極少數電子可以隧穿膜層（céng）勢（shì）壘，LED支架回路也無光電流流過；若非金屬膜層較薄，由於LED芯片光生電流在隧道（dào）結兩側形成電場，電子（zǐ）主要（yào）以場致發射的方式隧（suì）穿膜層，流（liú）過（guò）單位麵積膜層的電流可表示為。
其中q為電子（zǐ）電量，m為電子（zǐ）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（rèn）意勢壘的電（diàn）子隧穿概率可表（biǎo）示為（wéi）
與（yǔ）傳統光源燈具的光學係統相（xiàng）比，LED燈具光學係統具有如下特性：
(1)光學係統一般由LED芯片（piàn）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（xíng）基板上，燈具使用、或不使用透光（guāng）罩。
由於LED單元具有2π發光的（de）光度特性，燈具的光度（dù）係統與傳統光（guāng）源燈有很大區別。
製造（zào）商根據照明需求，將（jiāng）多個（gè）LED單元或數（shù）十個LED單元組合在基板上，而（ér）這種組合是由燈具製造商完（wán）成的，所以必須控（kòng）製組合後LED單元（yuán）光色的一致性，考核LED燈具的色空間均勻度（dù）。
(2)由於LED的光電特性（xìng）對PN結溫度的變化非常敏感；封（fēng）裝樹脂在高溫和強光照射下會快速（sù）劣化；長期的光輻射會使熒光（guāng）粉的光致轉換率逐（zhú）漸降低，並導致色座標會偏移（yí）。
在給出LED燈具壽命（mìng）評價方法時，應考（kǎo）慮溫度的影響，並在限製色偏移（yí）的條件下，考核LED燈（dēng）具的流明維持率。
2、電氣配件
LED驅動電源是（shì）構成（chéng）LED燈具性能優劣的關鍵要素，也是燈具選（xuǎn）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（de）交流市電，必須（xū）要設計複雜的變換電路驅動LED。
LED燈具電氣設計應考慮燈具要使用（yòng）LED特性和數量、燈具的安裝地點，以及燈具在電（diàn）網中的位置來考慮電氣安全、恒（héng）流驅動、抗擾度和EMI，選擇或設計合（hé）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（zuò）溫度相關的測（cè）溫點與溫度、驅（qū）動方式(恒壓型（xíng）、恒流型、或恒壓恒流混合型)、功率因數、輸（shū）出電流和輸出電（diàn）壓的穩定性、單一（yī）功（gōng）率負載或功率範圍負載、能效等級（jí）。如是獨（dú）立式安裝，外殼防護等級、防（fáng）觸電類型、浪湧（yǒng）和雷擊防護的適宜性也（yě）是（shì）重要參數。
除了驅動電源本身以外，它（tā）與LED模組的電氣（qì）連接也（yě）是LED燈具電氣係統的重要組成部分，應充分考慮這些電氣連（lián）接的安全（quán）性，包括應采用標準的連接件、充分絕緣、防（fáng）觸電保護等，特別應注意的是，由於可能存在多路連接，未來保證安裝和維護是電氣連接的正確可靠，應（yīng）對連接（jiē）件（jiàn）進行識別，如電源極性標記等。
3、散熱措（cuò）施
與傳統光源燈（dēng）具一樣，LED燈具也是會發熱的，LED燈具的熱來自LED光電轉換（huàn）中（zhōng）的損耗以及LED驅（qū）動電源。
傳統電光源按發光原理分（fèn）為典型白熾燈的熱幅射光源和熒光燈等的氣體放電（diàn）光源兩大類，前者是利用物體加熱時（shí）輻射發光的（de）原理做成的光源，而後者是在高溫和電場（chǎng）雙重作用（yòng）下，直接激發形（xíng）成分子發光，兩者的發光過程都需要熱，同時，產生的熱與發出的光一起向周圍輻射。
LED的發（fā）光原理是在外加電能量作（zuò）用下，芯片（piàn）中PN結電子和（hé）空穴（xué）的輻射複合發生電致發光，由於轉換效（xiào）率的問題，終大概（gài）隻有30％的輸入電能轉化為（wéi）光能，其餘70％的能量主要以非輻射複合發（fā）生的點陣振動的形式轉化熱能。需（xū）要說明是LED發光過程中產生的熱並不是LED達到標稱工作狀態所需要的，相反，LED亮（liàng）度輸出與（yǔ）溫度成反（fǎn）比，而且熱傳遞的方式不（bú）是輻射而是（shì）傳（chuán）導。
從LED發光原理和熱傳遞特性考慮，與傳統燈具有很大不同的熱（rè）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（piàn）的熱有效地傳導出去，並有效地（dì）控製燈具的微環境，將LED結溫控製在可接受的範圍內。
LED結溫是燈具光電性能的關鍵，但由於燈具中LED結溫測量比較困難，可行的（de）評價方法是測量與LED結溫相（xiàng）關的燈具上點（diǎn）的溫度，如焊點、基（jī）座、燈（dēng）具外殼等。通（tōng）過控製這些LED結溫相關點的溫度（dù）來（lái）控（kòng）製LED結溫。製（zhì）造商需確定其燈具產（chǎn）品的LED結溫相關的溫度控製點和溫度，如LED模塊的焊點、基座（zuò）、燈具外殼等等，製造商確定的（de）這些參數應以產品信息的方式隨燈（dēng）具提供。
除了LED以（yǐ）外，LED燈具中的驅動電源也是發熱部件，為了保證（zhèng）具有與LED光源協調的壽命，LED驅動電源的熱控製也非常重要，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（nèi）裝的驅動電源，燈具（jù）應根據（jù）其內環境溫度選擇標有相應（yīng）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（kě）能的環境溫度選擇具有相應的tc的電源。
4、機（jī）械部（bù）件（jiàn）和結構
機械的作用是通過結構設計把燈具的光學係統、電（diàn）氣係統和熱係統的位置和相互關係確定下來，使（shǐ）燈具得以在設定的環境中固（gù）定並安全的使用。
傳（chuán）統燈具的機械係統由固定光源、反射（shè）器（qì）、燈的控製（zhì）裝（zhuāng）置（zhì）等部件的結構、軟纜或軟線的走線結構、密封結構、機（jī）械防護結構、燈具固定結構和燈具調節結構等（děng）部（bù）分（fèn）構成，具體由燈座或光源連接（jiē）器（qì）、燈座安裝支架、軟線（xiàn）固定架、接線（xiàn）端子座、載線座、密封圈、外殼、燈罩、調節手柄和燈具安裝架（jià）等組成。
由於LED光源的（de）特性，LED光源有LED模組、自（zì）鎮流LED模組和帶有燈頭自鎮流LED模組等（děng）幾種（zhǒng）形式，除了後一種形式以外，其他兩種LED模組不帶有燈頭，相（xiàng）應的LED燈具中沒（méi）有傳統的燈座，而（ér）是采用連接（jiē）件（jiàn）。
5、LED燈具的光生（shēng）物安（ān）全性（xìng）
LED是窄光束、高亮度的發光器件。隨著在LED的（de）功效不斷增大，亮度不斷（duàn）提高，尤（yóu）其是在大功率（lǜ）白光LED出現後，LED光輻射對人體的危害已經引起各方麵的廣泛關注。過去的LED出射（shè）光不（bú）會對人（rén）體造成危（wēi）害的時（shí）代（dài）也一去不（bú）複返了。LED和其它光（guāng）源一樣，LED的光輻射理論上也能對人體造成危害。傷害主要發生在人的眼睛和皮膚，如皮膚和眼（yǎn）睛（jīng）的光（guāng）化學危害、眼睛的近紫（zǐ）外危害、視網膜藍（lán）光光化學危害、視（shì）網膜（mó）無晶狀體光化學危害、視網膜熱危害和皮膚熱危害等，而（ér）兩者之中（zhōng）更容（róng）易受（shòu）到傷害的（de）是眼睛。
