LED芯片封裝缺陷檢測方法研究
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發布(bu)日期: 2020.07.30
LED(Light-emittingdiode)由(you)于壽(shou)命長、能耗低等優點(dian)被廣泛(fan)地應(ying)(ying)用(yong)(yong)(yong)(yong)于指示(shi)、顯(xian)示(shi)等領域(yu)。可靠性、穩定性及高(gao)出光率是(shi)LED取代現有照(zhao)明(ming)光源必須考慮的(de)(de)(de)(de)因(yin)素。封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)工(gong)(gong)(gong)藝是(shi)影(ying)響LED功能作用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要因(yin)素之一,封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)工(gong)(gong)(gong)藝關鍵工(gong)(gong)(gong)序(xu)有裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)架、壓焊(han)、封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)。由(you)于封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)工(gong)(gong)(gong)藝本身的(de)(de)(de)(de)原(yuan)因(yin),導致LED封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)過程(cheng)(cheng)中(zhong)存(cun)在(zai)(zai)諸多(duo)缺(que)陷(xian)(xian)(如重(zhong)復焊(han)接、芯(xin)(xin)片電極(ji)氧化等),統(tong)計數據(ju)顯(xian)示(shi):焊(han)接系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)失(shi)(shi)效(xiao)占整個半導體失(shi)(shi)效(xiao)模式(shi)的(de)(de)(de)(de)比(bi)例(li)是(shi)25%~30%,在(zai)(zai)國內,由(you)于受到設備和產量的(de)(de)(de)(de)雙重(zhong)限制,多(duo)數生產廠家采用(yong)(yong)(yong)(yong)人工(gong)(gong)(gong)焊(han)接的(de)(de)(de)(de)方法,焊(han)接系(xi)統(tong)不合(he)格占不合(he)格總數的(de)(de)(de)(de)40%以上。從使用(yong)(yong)(yong)(yong)角度(du)分析,LED封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)過程(cheng)(cheng)中(zhong)產生的(de)(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)(xian),雖然使用(yong)(yong)(yong)(yong)初期并不影(ying)響其光電性能,但在(zai)(zai)以后的(de)(de)(de)(de)使用(yong)(yong)(yong)(yong)過程(cheng)(cheng)中(zhong)會逐漸(jian)暴露出來并導致器(qi)件(jian)失(shi)(shi)效(xiao)。在(zai)(zai)LED的(de)(de)(de)(de)某(mou)些應(ying)(ying)用(yong)(yong)(yong)(yong)領域(yu),如高(gao)精(jing)密航天器(qi)材,其潛在(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)(xian)比(bi)那些立即出現致命性失(shi)(shi)效(xiao)的(de)(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)(xian)危害更(geng)大。因(yin)此,如何在(zai)(zai)封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)過程(cheng)(cheng)中(zhong)實現對LED芯(xin)(xin)片的(de)(de)(de)(de)檢測、阻(zu)斷存(cun)在(zai)(zai)缺(que)陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)LED進入(ru)后序(xu)封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)工(gong)(gong)(gong)序(xu),從而降低生產成本、提高(gao)產品的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量、避免使用(yong)(yong)(yong)(yong)存(cun)在(zai)(zai)缺(que)陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)LED造成重(zhong)大損失(shi)(shi)就成為LED封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)行業急需解(jie)決的(de)(de)(de)(de)難題。
目前(qian),LED產業的(de)(de)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)技(ji)術主(zhu)要集中(zhong)(zhong)于封(feng)裝(zhuang)前(qian)晶(jing)片級的(de)(de)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)及封(feng)裝(zhuang)完成(cheng)(cheng)(cheng)后(hou)的(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)品級檢(jian)(jian)(jian)測(ce),而國(guo)內針對封(feng)裝(zhuang)過程中(zhong)(zhong)LED的(de)(de)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)技(ji)術尚不成(cheng)(cheng)(cheng)熟。本文在(zai)LED芯片非接觸檢(jian)(jian)(jian)測(ce)方法的(de)(de)基礎上,在(zai)LED引腳式(shi)封(feng)裝(zhuang)過程中(zhong)(zhong),利用p-n結光(guang)生伏特效應,分析(xi)了封(feng)裝(zhuang)缺(que)陷對光(guang)照(zhao)射(she)LED芯片在(zai)引線(xian)支架(jia)中(zhong)(zhong)產生的(de)(de)回(hui)路光(guang)電(dian)流(liu)的(de)(de)影響(xiang),采用電(dian)磁感應定律測(ce)量(liang)該(gai)回(hui)路光(guang)電(dian)流(liu),實現LED封(feng)裝(zhuang)過程中(zhong)(zhong)芯片質量(liang)及封(feng)裝(zhuang)缺(que)陷的(de)(de)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)。
1、理論分(fen)析
1.1p-n結的光(guang)(guang)生伏特效應(ying)[m]根據p-n結光(guang)(guang)生伏特效應(ying),光(guang)(guang)生電流IL表示為:
式中,A為(wei)(wei)p-n結面積,q是電子電量,Ln、Lp分(fen)別為(wei)(wei)電子和空穴(xue)的擴(kuo)散長度(du),J表示以光(guang)子數計(ji)算的平均光(guang)強,α為(wei)(wei)p-n結材料的吸收(shou)系數,β是量子產額(e),即每吸收(shou)一(yi)個光(guang)子產生的電子一(yi)空穴(xue)對數。
在(zai)LED引(yin)腳式封(feng)裝過(guo)程中,每個LED芯(xin)片(pian)(pian)是被(bei)固定在(zai)引(yin)線(xian)支(zhi)架(jia)上的(de),LED芯(xin)片(pian)(pian)通過(guo)壓焊(han)金絲(鋁絲)與引(yin)線(xian)支(zhi)架(jia)形成了閉合回(hui)路,如圖1。若忽略引(yin)線(xian)支(zhi)架(jia)電(dian)阻(zu),LED支(zhi)架(jia)回(hui)路光電(dian)流等(deng)于芯(xin)片(pian)(pian)光生(sheng)電(dian)流IL。可見,當p-n結材料和摻雜(za)濃(nong)度一定時(shi),支(zhi)架(jia)回(hui)路光電(dian)流與光照(zhao)強度I成正(zheng)比。
1.2封裝缺陷機理
LED芯(xin)片(pian)(pian)受到腐蝕因素(su)影(ying)響或沾染油污時,在芯(xin)片(pian)(pian)電極表(biao)面(mian)生成(cheng)一(yi)層(ceng)非(fei)(fei)金(jin)屬(shu)膜(mo)(mo),產生封裝缺(que)陷[11]。電極表(biao)面(mian)存(cun)在非(fei)(fei)金(jin)屬(shu)膜(mo)(mo)層(ceng)的LED芯(xin)片(pian)(pian)壓(ya)焊工序后,焊接處形(xing)成(cheng)金(jin)屬(shu)一(yi)介質-金(jin)屬(shu)結(jie)構(gou),也(ye)稱為(wei)隧道結(jie)。當(dang)一(yi)定強度的光(guang)照射在LED芯(xin)片(pian)(pian)上,若LED芯(xin)片(pian)(pian)失效,支架回(hui)路(lu)無(wu)光(guang)電流(liu)(liu)流(liu)(liu)過若非(fei)(fei)金(jin)屬(shu)膜(mo)(mo)層(ceng)足夠厚,只有極少數(shu)電子可以(yi)隧穿膜(mo)(mo)層(ceng)勢(shi)壘,LED支架回(hui)路(lu)也(ye)無(wu)光(guang)電流(liu)(liu)流(liu)(liu)過;若非(fei)(fei)金(jin)屬(shu)膜(mo)(mo)層(ceng)較薄(bo),由于LED芯(xin)片(pian)(pian)光(guang)生電流(liu)(liu)在隧道結(jie)兩側形(xing)成(cheng)電場,電子主要以(yi)場致發射的方式隧穿膜(mo)(mo)層(ceng),流(liu)(liu)過單位面(mian)積(ji)膜(mo)(mo)層(ceng)的電流(liu)(liu)可表(biao)示為(wei)。
其中q為(wei)電(dian)(dian)子(zi)電(dian)(dian)量,m為(wei)電(dian)(dian)子(zi)質量,矗為(wei)普朗克常數(shu),vx、vy、vz分(fen)別是電(dian)(dian)子(zi)在x、y、z方向(xiang)的隧(sui)穿(chuan)(chuan)速度,T(x)為(wei)電(dian)(dian)子(zi)的隧(sui)穿(chuan)(chuan)概率(lv)。又(you)任(ren)意勢壘(lei)的電(dian)(dian)子(zi)隧(sui)穿(chuan)(chuan)概率(lv)可表(biao)示為(wei)
與(yu)傳統(tong)光源燈(deng)具的光學系(xi)統(tong)相比(bi),LED燈(deng)具光學系(xi)統(tong)具有(you)如下(xia)特(te)性(xing):
(1)光(guang)學(xue)系統一般由LED芯片(pian)和透鏡組成(cheng)(cheng)LED單(dan)元或LED單(dan)元陣列組成(cheng)(cheng),陣列有時排(pai)列在平整(zheng)的(de)(de)鋁基板上(shang)、也可(ke)能在突(tu)起(qi)的(de)(de)或凹下的(de)(de)成(cheng)(cheng)型基板上(shang),燈具使用(yong)、或不(bu)使用(yong)透光(guang)罩(zhao)。
由于LED單元具(ju)有2π發光(guang)(guang)的(de)光(guang)(guang)度特性,燈(deng)具(ju)的(de)光(guang)(guang)度系統與傳統光(guang)(guang)源燈(deng)有很大區別(bie)。
制造商根據照(zhao)明需(xu)求(qiu),將多個LED單元(yuan)或數十個LED單元(yuan)組合(he)在基板上,而這種組合(he)是由(you)燈(deng)具制造商完(wan)成的,所以必須控制組合(he)后LED單元(yuan)光色的一致(zhi)性,考核(he)LED燈(deng)具的色空(kong)間均勻度。
(2)由于LED的(de)光(guang)電(dian)特性(xing)對PN結溫度的(de)變化(hua)非(fei)常敏(min)感(gan);封裝樹(shu)脂(zhi)在高溫和強光(guang)照射(she)下(xia)會(hui)快速劣化(hua);長期(qi)的(de)光(guang)輻射(she)會(hui)使熒光(guang)粉的(de)光(guang)致轉換率逐(zhu)漸降低,并導致色座標會(hui)偏移。
在(zai)給出LED燈具壽命評(ping)價方法(fa)時,應考(kao)慮溫(wen)度(du)的(de)影響,并在(zai)限制色偏移的(de)條件(jian)下,考(kao)核(he)LED燈具的(de)流明(ming)維持率。
2、電氣配件(jian)
LED驅動電源是(shi)(shi)構(gou)成(cheng)LED燈具性能優劣的關鍵要素,也是(shi)(shi)燈具選(xuan)擇或設計要件之一(yi)。
LED是2V—3V的(de)低(di)電(dian)壓恒流源驅(qu)動,所以(yi)不象普(pu)通的(de)白(bai)熾燈(deng)泡(pao)可以(yi)直接連接220V的(de)交(jiao)流市電(dian),必須要設計復雜的(de)變換(huan)電(dian)路(lu)驅(qu)動LED。
LED燈(deng)具(ju)電(dian)氣設計應考慮燈(deng)具(ju)要使(shi)用(yong)LED特性(xing)和(he)數量、燈(deng)具(ju)的安(an)(an)裝地點(dian),以及燈(deng)具(ju)在電(dian)網(wang)中(zhong)的位置來(lai)考慮電(dian)氣安(an)(an)全、恒流驅(qu)動(dong)、抗(kang)擾(rao)度和(he)EMI,選擇(ze)或設計合適的LED驅(qu)動(dong)電(dian)源。
LED驅動電源(yuan)的(de)可選擇(ze)參(can)數(shu)包括(kuo)與內部元器件工作溫(wen)(wen)度(du)相關的(de)測溫(wen)(wen)點與溫(wen)(wen)度(du)、驅動方(fang)式(恒(heng)壓(ya)型、恒(heng)流(liu)型、或恒(heng)壓(ya)恒(heng)流(liu)混合(he)型)、功(gong)率因數(shu)、輸出電流(liu)和(he)輸出電壓(ya)的(de)穩定(ding)性、單一功(gong)率負載(zai)(zai)或功(gong)率范圍負載(zai)(zai)、能效等級。如是(shi)獨立式安裝,外殼防(fang)護等級、防(fang)觸(chu)電類型、浪(lang)涌和(he)雷擊防(fang)護的(de)適宜性也是(shi)重要參(can)數(shu)。
除(chu)了(le)驅動(dong)電(dian)(dian)源本身(shen)以外,它與LED模組的電(dian)(dian)氣連(lian)接也是LED燈具(ju)電(dian)(dian)氣系(xi)統的重要組成部分,應(ying)充分考慮這些電(dian)(dian)氣連(lian)接的安(an)全(quan)性,包括應(ying)采用標(biao)準的連(lian)接件、充分絕緣、防觸(chu)電(dian)(dian)保護等,特別應(ying)注意的是,由(you)于可能(neng)存在(zai)多路連(lian)接,未(wei)來保證安(an)裝(zhuang)和(he)維護是電(dian)(dian)氣連(lian)接的正(zheng)確(que)可靠,應(ying)對連(lian)接件進行(xing)識別,如電(dian)(dian)源極(ji)性標(biao)記等。
3、散熱措施
與傳統光源燈具(ju)一樣,LED燈具(ju)也是會發(fa)熱的,LED燈具(ju)的熱來(lai)自LED光電轉換中的損耗以及LED驅(qu)動電源。
傳統電光(guang)源(yuan)(yuan)按發光(guang)原(yuan)理分為典型(xing)白熾燈的(de)(de)(de)熱(re)幅射光(guang)源(yuan)(yuan)和熒光(guang)燈等(deng)的(de)(de)(de)氣體放電光(guang)源(yuan)(yuan)兩大類,前者是利用物體加(jia)熱(re)時輻(fu)射發光(guang)的(de)(de)(de)原(yuan)理做成(cheng)的(de)(de)(de)光(guang)源(yuan)(yuan),而后者是在高溫和電場雙重作(zuo)用下,直(zhi)接激發形(xing)成(cheng)分子發光(guang),兩者的(de)(de)(de)發光(guang)過程都需要熱(re),同時,產生(sheng)的(de)(de)(de)熱(re)與發出的(de)(de)(de)光(guang)一起向周(zhou)圍輻(fu)射。
LED的(de)(de)發(fa)(fa)光(guang)原理是在外加(jia)電(dian)能量(liang)作用下,芯片(pian)中(zhong)PN結電(dian)子和空穴的(de)(de)輻射(she)復合發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)電(dian)致發(fa)(fa)光(guang),由于轉換效率的(de)(de)問(wen)題,終大(da)概只有30%的(de)(de)輸(shu)入電(dian)能轉化為光(guang)能,其余70%的(de)(de)能量(liang)主要(yao)以(yi)非輻射(she)復合發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)的(de)(de)點陣振動的(de)(de)形式(shi)轉化熱能。需(xu)要(yao)說明(ming)是LED發(fa)(fa)光(guang)過程(cheng)中(zhong)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)熱并不是LED達到標稱(cheng)工作狀態所需(xu)要(yao)的(de)(de),相反,LED亮度(du)輸(shu)出與溫度(du)成反比(bi),而且熱傳遞的(de)(de)方式(shi)不是輻射(she)而是傳導。
從LED發光原理和熱(re)傳遞特性考慮,與傳統(tong)燈具有很(hen)大不同的(de)(de)熱(re)管理是LED燈具散熱(re)設(she)計的(de)(de)重(zhong)要(yao)任務,其目標有效(xiao)地(di)將LED芯片的(de)(de)熱(re)有效(xiao)地(di)傳導出(chu)去,并有效(xiao)地(di)控(kong)(kong)制燈具的(de)(de)微環境,將LED結溫(wen)控(kong)(kong)制在可接受的(de)(de)范圍內。
LED結(jie)(jie)溫是燈(deng)(deng)具(ju)(ju)光電性能的(de)(de)(de)(de)關鍵,但由于燈(deng)(deng)具(ju)(ju)中LED結(jie)(jie)溫測(ce)(ce)量比較困難,可行的(de)(de)(de)(de)評價(jia)方法(fa)是測(ce)(ce)量與LED結(jie)(jie)溫相關的(de)(de)(de)(de)燈(deng)(deng)具(ju)(ju)上點(dian)的(de)(de)(de)(de)溫度,如焊點(dian)、基座、燈(deng)(deng)具(ju)(ju)外(wai)殼等。通過控制(zhi)這(zhe)些LED結(jie)(jie)溫相關點(dian)的(de)(de)(de)(de)溫度來控制(zhi)LED結(jie)(jie)溫。制(zhi)造(zao)商(shang)需確定(ding)其燈(deng)(deng)具(ju)(ju)產(chan)品的(de)(de)(de)(de)LED結(jie)(jie)溫相關的(de)(de)(de)(de)溫度控制(zhi)點(dian)和溫度,如LED模(mo)塊的(de)(de)(de)(de)焊點(dian)、基座、燈(deng)(deng)具(ju)(ju)外(wai)殼等等,制(zhi)造(zao)商(shang)確定(ding)的(de)(de)(de)(de)這(zhe)些參數應以產(chan)品信息(xi)的(de)(de)(de)(de)方式隨燈(deng)(deng)具(ju)(ju)提(ti)供。
除了LED以外(wai),LED燈(deng)具(ju)中的(de)(de)(de)(de)驅(qu)動電(dian)源(yuan)也(ye)是發熱部件,為了保證具(ju)有(you)與LED光(guang)源(yuan)協(xie)調的(de)(de)(de)(de)壽命,LED驅(qu)動電(dian)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)熱控制也(ye)非常(chang)重要,燈(deng)具(ju)應(ying)選用具(ju)有(you)相應(ying)溫度適宜性的(de)(de)(de)(de)LED驅(qu)動電(dian)源(yuan),如果采(cai)用內(nei)裝的(de)(de)(de)(de)驅(qu)動電(dian)源(yuan),燈(deng)具(ju)應(ying)根(gen)據其內(nei)環境溫度選擇(ze)標(biao)有(you)相應(ying)tc的(de)(de)(de)(de)驅(qu)動電(dian)源(yuan)。選擇(ze)獨立(li)安(an)裝的(de)(de)(de)(de)驅(qu)動電(dian)源(yuan),則應(ying)根(gen)據安(an)裝地可能的(de)(de)(de)(de)環境溫度選擇(ze)具(ju)有(you)相應(ying)的(de)(de)(de)(de)tc的(de)(de)(de)(de)電(dian)源(yuan)。
4、機械部件和結構
機(ji)械的作用是通過結構設計把燈具(ju)的光學系統(tong)、電(dian)氣系統(tong)和熱系統(tong)的位(wei)置和相(xiang)互關系確定下來,使燈具(ju)得(de)以在(zai)設定的環境中固定并安全(quan)的使用。
傳(chuan)統(tong)燈(deng)(deng)具(ju)的(de)(de)(de)機械系統(tong)由固定光源、反射器、燈(deng)(deng)的(de)(de)(de)控制(zhi)裝(zhuang)置等部件的(de)(de)(de)結(jie)(jie)構(gou)、軟纜或軟線(xian)的(de)(de)(de)走線(xian)結(jie)(jie)構(gou)、密封結(jie)(jie)構(gou)、機械防護結(jie)(jie)構(gou)、燈(deng)(deng)具(ju)固定結(jie)(jie)構(gou)和(he)燈(deng)(deng)具(ju)調節結(jie)(jie)構(gou)等部分構(gou)成(cheng),具(ju)體由燈(deng)(deng)座或光源連接器、燈(deng)(deng)座安裝(zhuang)支架(jia)、軟線(xian)固定架(jia)、接線(xian)端子座、載(zai)線(xian)座、密封圈(quan)、外殼、燈(deng)(deng)罩(zhao)、調節手柄和(he)燈(deng)(deng)具(ju)安裝(zhuang)架(jia)等組(zu)成(cheng)。
由于(yu)LED光源(yuan)的(de)特性,LED光源(yuan)有LED模組(zu)、自鎮(zhen)流(liu)LED模組(zu)和帶(dai)有燈(deng)(deng)頭自鎮(zhen)流(liu)LED模組(zu)等幾(ji)種形式,除了后一種形式以外,其他兩種LED模組(zu)不(bu)帶(dai)有燈(deng)(deng)頭,相(xiang)應的(de)LED燈(deng)(deng)具中沒有傳統的(de)燈(deng)(deng)座,而(er)是采用連接件。
5、LED燈具的光生物安全性
LED是窄(zhai)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束、高(gao)亮(liang)度的(de)(de)(de)(de)發光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器件。隨著在LED的(de)(de)(de)(de)功效不(bu)斷增(zeng)大,亮(liang)度不(bu)斷提高(gao),尤其是在大功率白光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)LED出現(xian)后,LED光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)輻射(she)對(dui)人體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)危(wei)害(hai)(hai)(hai)已經(jing)引起各方面(mian)的(de)(de)(de)(de)廣泛關注。過去(qu)的(de)(de)(de)(de)LED出射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)不(bu)會對(dui)人體(ti)(ti)造(zao)成危(wei)害(hai)(hai)(hai)的(de)(de)(de)(de)時代也一去(qu)不(bu)復返了(le)。LED和(he)其它光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)一樣,LED的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)輻射(she)理論(lun)上也能對(dui)人體(ti)(ti)造(zao)成危(wei)害(hai)(hai)(hai)。傷害(hai)(hai)(hai)主(zhu)要(yao)發生在人的(de)(de)(de)(de)眼睛和(he)皮膚,如皮膚和(he)眼睛的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)化學危(wei)害(hai)(hai)(hai)、眼睛的(de)(de)(de)(de)近(jin)紫外危(wei)害(hai)(hai)(hai)、視(shi)網膜藍光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)化學危(wei)害(hai)(hai)(hai)、視(shi)網膜無晶狀體(ti)(ti)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)化學危(wei)害(hai)(hai)(hai)、視(shi)網膜熱危(wei)害(hai)(hai)(hai)和(he)皮膚熱危(wei)害(hai)(hai)(hai)等,而兩者之中更(geng)容易受到傷害(hai)(hai)(hai)的(de)(de)(de)(de)是眼睛。