LED(Light-emittingdiode)由(you)(you)(you)于(yu)壽命長(chang)、能(neng)耗低(di)等優點被廣(guang)泛地(di)應用(yong)(yong)于(yu)指(zhi)示(shi)、顯示(shi)等領(ling)域。可靠(kao)性(xing)、穩定性(xing)及高出(chu)光率(lv)是(shi)LED取(qu)代(dai)現有(you)照明光源必須考慮的(de)(de)(de)因素(su)。封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)工(gong)藝(yi)(yi)是(shi)影響LED功能(neng)作用(yong)(yong)的(de)(de)(de)主要因素(su)之一,封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)工(gong)藝(yi)(yi)關(guan)鍵(jian)工(gong)序有(you)裝(zhuang)架、壓焊(han)(han)、封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)。由(you)(you)(you)于(yu)封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)工(gong)藝(yi)(yi)本(ben)身的(de)(de)(de)原(yuan)因,導致(zhi)(zhi)LED封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)過(guo)程中存在(zai)諸多缺(que)陷(xian)(如重復焊(han)(han)接(jie)(jie)、芯片電極氧化等),統計數(shu)據(ju)顯示(shi):焊(han)(han)接(jie)(jie)系統的(de)(de)(de)失效(xiao)占(zhan)(zhan)整個半導體失效(xiao)模(mo)式的(de)(de)(de)比例是(shi)25%~30%,在(zai)國(guo)內,由(you)(you)(you)于(yu)受到設備和(he)產(chan)(chan)(chan)量(liang)的(de)(de)(de)雙重限制,多數(shu)生產(chan)(chan)(chan)廠家采用(yong)(yong)人工(gong)焊(han)(han)接(jie)(jie)的(de)(de)(de)方法,焊(han)(han)接(jie)(jie)系統不(bu)合(he)(he)格占(zhan)(zhan)不(bu)合(he)(he)格總數(shu)的(de)(de)(de)40%以上(shang)。從使用(yong)(yong)角度(du)分析,LED封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)過(guo)程中產(chan)(chan)(chan)生的(de)(de)(de)缺(que)陷(xian),雖然(ran)使用(yong)(yong)初期并不(bu)影響其光電性(xing)能(neng),但在(zai)以后(hou)的(de)(de)(de)使用(yong)(yong)過(guo)程中會逐漸暴(bao)露出(chu)來(lai)并導致(zhi)(zhi)器件失效(xiao)。在(zai)LED的(de)(de)(de)某些(xie)(xie)應用(yong)(yong)領(ling)域,如高精密航天器材(cai),其潛(qian)在(zai)的(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)比那(nei)些(xie)(xie)立即出(chu)現致(zhi)(zhi)命性(xing)失效(xiao)的(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)危害(hai)更大。因此(ci),如何在(zai)封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)過(guo)程中實現對(dui)LED芯片的(de)(de)(de)檢測、阻斷(duan)存在(zai)缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)LED進入后(hou)序封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)工(gong)序,從而(er)降(jiang)低(di)生產(chan)(chan)(chan)成(cheng)本(ben)、提(ti)高產(chan)(chan)(chan)品的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)、避(bi)免使用(yong)(yong)存在(zai)缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)LED造成(cheng)重大損失就成(cheng)為LED封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)行(xing)業急需解(jie)決的(de)(de)(de)難題。
目前,LED產業的(de)(de)檢測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)技術主要集中于封(feng)(feng)裝(zhuang)前晶片(pian)級(ji)的(de)(de)檢測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)及(ji)封(feng)(feng)裝(zhuang)完成后的(de)(de)成品級(ji)檢測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce),而國內針對封(feng)(feng)裝(zhuang)過(guo)(guo)程中LED的(de)(de)檢測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)技術尚不成熟。本文在LED芯片(pian)非接觸檢測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)方法的(de)(de)基礎(chu)上(shang),在LED引腳式封(feng)(feng)裝(zhuang)過(guo)(guo)程中,利用p-n結(jie)光生伏特(te)效應(ying),分(fen)析了封(feng)(feng)裝(zhuang)缺(que)陷對光照(zhao)射LED芯片(pian)在引線(xian)支(zhi)架中產生的(de)(de)回路光電流(liu)的(de)(de)影(ying)響,采(cai)用電磁感應(ying)定律測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量該回路光電流(liu),實現LED封(feng)(feng)裝(zhuang)過(guo)(guo)程中芯片(pian)質量及(ji)封(feng)(feng)裝(zhuang)缺(que)陷的(de)(de)檢測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)。
1、理論分析(xi)
1.1p-n結(jie)的光(guang)生伏特(te)效應(ying)[m]根(gen)據p-n結(jie)光(guang)生伏特(te)效應(ying),光(guang)生電流(liu)IL表(biao)示為(wei):
式(shi)中,A為p-n結面積(ji),q是電(dian)子(zi)電(dian)量,Ln、Lp分別為電(dian)子(zi)和(he)空(kong)穴的擴散長度,J表示以光子(zi)數計算(suan)的平均光強,α為p-n結材(cai)料(liao)的吸收系數,β是量子(zi)產(chan)額,即每吸收一個光子(zi)產(chan)生的電(dian)子(zi)一空(kong)穴對數。
在(zai)LED引(yin)腳(jiao)式(shi)封裝過程中,每個LED芯(xin)片是被固定在(zai)引(yin)線(xian)支(zhi)架上(shang)的(de),LED芯(xin)片通過壓焊金絲(鋁(lv)絲)與引(yin)線(xian)支(zhi)架形(xing)成了閉合(he)回路(lu),如圖(tu)1。若忽略(lve)引(yin)線(xian)支(zhi)架電(dian)(dian)阻,LED支(zhi)架回路(lu)光(guang)(guang)電(dian)(dian)流(liu)等于芯(xin)片光(guang)(guang)生電(dian)(dian)流(liu)IL。可(ke)見,當p-n結材料和摻雜濃度一定時,支(zhi)架回路(lu)光(guang)(guang)電(dian)(dian)流(liu)與光(guang)(guang)照強(qiang)度I成正比(bi)。
1.2封(feng)裝缺陷(xian)機(ji)理
LED芯片(pian)(pian)受到腐蝕因素影(ying)響或沾染油污時,在芯片(pian)(pian)電(dian)(dian)極表(biao)面(mian)生(sheng)成(cheng)一層(ceng)(ceng)非(fei)金(jin)(jin)屬(shu)膜(mo),產生(sheng)封裝缺陷[11]。電(dian)(dian)極表(biao)面(mian)存在非(fei)金(jin)(jin)屬(shu)膜(mo)層(ceng)(ceng)的LED芯片(pian)(pian)壓焊(han)工序后,焊(han)接處形成(cheng)金(jin)(jin)屬(shu)一介質(zhi)-金(jin)(jin)屬(shu)結(jie)(jie)構,也稱為(wei)隧(sui)道(dao)結(jie)(jie)。當一定(ding)強度的光照射在LED芯片(pian)(pian)上(shang),若LED芯片(pian)(pian)失(shi)效,支架回(hui)路(lu)無(wu)光電(dian)(dian)流(liu)流(liu)過(guo)(guo)若非(fei)金(jin)(jin)屬(shu)膜(mo)層(ceng)(ceng)足夠厚,只有(you)極少(shao)數(shu)電(dian)(dian)子(zi)可(ke)以隧(sui)穿(chuan)膜(mo)層(ceng)(ceng)勢壘,LED支架回(hui)路(lu)也無(wu)光電(dian)(dian)流(liu)流(liu)過(guo)(guo);若非(fei)金(jin)(jin)屬(shu)膜(mo)層(ceng)(ceng)較薄,由于(yu)LED芯片(pian)(pian)光生(sheng)電(dian)(dian)流(liu)在隧(sui)道(dao)結(jie)(jie)兩(liang)側形成(cheng)電(dian)(dian)場(chang),電(dian)(dian)子(zi)主要以場(chang)致(zhi)發(fa)射的方式隧(sui)穿(chuan)膜(mo)層(ceng)(ceng),流(liu)過(guo)(guo)單位面(mian)積膜(mo)層(ceng)(ceng)的電(dian)(dian)流(liu)可(ke)表(biao)示為(wei)。
其中q為(wei)電(dian)子(zi)(zi)電(dian)量,m為(wei)電(dian)子(zi)(zi)質(zhi)量,矗為(wei)普朗(lang)克常(chang)數(shu),vx、vy、vz分(fen)別(bie)是電(dian)子(zi)(zi)在(zai)x、y、z方向的隧(sui)(sui)穿速度,T(x)為(wei)電(dian)子(zi)(zi)的隧(sui)(sui)穿概率。又任意勢壘的電(dian)子(zi)(zi)隧(sui)(sui)穿概率可(ke)表示(shi)為(wei)
與(yu)傳(chuan)統光(guang)源燈(deng)具的光(guang)學系統相(xiang)比,LED燈(deng)具光(guang)學系統具有如(ru)下特(te)性:
(1)光學系統(tong)一般由LED芯片和透鏡組成(cheng)(cheng)(cheng)LED單元或LED單元陣(zhen)列組成(cheng)(cheng)(cheng),陣(zhen)列有時排(pai)列在平整的鋁(lv)基板(ban)(ban)上(shang)、也可能(neng)在突(tu)起的或凹下的成(cheng)(cheng)(cheng)型基板(ban)(ban)上(shang),燈具使用(yong)、或不(bu)使用(yong)透光罩。
由(you)于LED單(dan)元具(ju)有(you)2π發光的光度特(te)性,燈(deng)具(ju)的光度系統(tong)與傳統(tong)光源燈(deng)有(you)很大區別。
制造商根據照(zhao)明(ming)需求(qiu),將多個LED單(dan)元或數十個LED單(dan)元組合在基板上,而這種組合是由燈具制造商完成(cheng)的,所以必須控(kong)制組合后LED單(dan)元光(guang)色的一致性,考核LED燈具的色空間均(jun)勻度。
(2)由于LED的(de)(de)光電特性對PN結溫度的(de)(de)變化非常敏感;封(feng)裝(zhuang)樹脂(zhi)在高(gao)溫和(he)強光照射下會快速劣化;長期的(de)(de)光輻射會使熒光粉的(de)(de)光致轉(zhuan)換率逐漸(jian)降(jiang)低,并導致色座標(biao)會偏移。
在給(gei)出LED燈具壽命(ming)評價方法時,應考(kao)慮溫度的(de)影響(xiang),并在限(xian)制(zhi)色偏移的(de)條件下(xia),考(kao)核(he)LED燈具的(de)流明維(wei)持率。
2、電氣(qi)配件(jian)
LED驅動電源是(shi)(shi)構(gou)成LED燈(deng)具性能優劣的(de)關(guan)鍵要(yao)素,也(ye)是(shi)(shi)燈(deng)具選(xuan)擇或設計要(yao)件之一。
LED是2V—3V的低電(dian)(dian)壓恒流源驅動,所以(yi)不象(xiang)普通的白(bai)熾燈泡可以(yi)直接連接220V的交流市(shi)電(dian)(dian),必須要設(she)計復雜(za)的變換電(dian)(dian)路驅動LED。
LED燈(deng)具(ju)電氣(qi)設計應考(kao)慮燈(deng)具(ju)要使用LED特(te)性和(he)數量(liang)、燈(deng)具(ju)的安裝(zhuang)地(di)點(dian),以及燈(deng)具(ju)在(zai)電網中的位置來考(kao)慮電氣(qi)安全、恒(heng)流驅(qu)動、抗擾度(du)和(he)EMI,選擇或設計合(he)適的LED驅(qu)動電源。
LED驅(qu)動電(dian)源的(de)可選擇參數(shu)包括(kuo)與內部元器(qi)件工作溫(wen)度相關的(de)測溫(wen)點與溫(wen)度、驅(qu)動方式(shi)(恒(heng)壓型、恒(heng)流型、或恒(heng)壓恒(heng)流混合(he)型)、功(gong)率(lv)因數(shu)、輸(shu)(shu)出電(dian)流和(he)輸(shu)(shu)出電(dian)壓的(de)穩定性、單一功(gong)率(lv)負載(zai)或功(gong)率(lv)范圍負載(zai)、能(neng)效等級。如是獨立式(shi)安裝,外(wai)殼防(fang)護(hu)(hu)等級、防(fang)觸電(dian)類型、浪涌和(he)雷擊防(fang)護(hu)(hu)的(de)適宜性也是重要(yao)參數(shu)。
除(chu)了驅動電(dian)(dian)(dian)(dian)源本身以外,它與LED模組的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)氣(qi)(qi)連接(jie)也是LED燈具電(dian)(dian)(dian)(dian)氣(qi)(qi)系(xi)統的(de)(de)重要組成部分(fen)(fen),應(ying)(ying)充分(fen)(fen)考慮這些電(dian)(dian)(dian)(dian)氣(qi)(qi)連接(jie)的(de)(de)安全(quan)性(xing),包括(kuo)應(ying)(ying)采用(yong)標準(zhun)的(de)(de)連接(jie)件、充分(fen)(fen)絕緣(yuan)、防觸(chu)電(dian)(dian)(dian)(dian)保(bao)護(hu)等,特別應(ying)(ying)注(zhu)意的(de)(de)是,由于可(ke)能(neng)存在多路連接(jie),未來保(bao)證安裝和維護(hu)是電(dian)(dian)(dian)(dian)氣(qi)(qi)連接(jie)的(de)(de)正確(que)可(ke)靠,應(ying)(ying)對連接(jie)件進(jin)行識別,如電(dian)(dian)(dian)(dian)源極性(xing)標記(ji)等。
3、散熱措(cuo)施
與(yu)傳統(tong)光(guang)源燈具一(yi)樣,LED燈具也是會發熱的(de)(de),LED燈具的(de)(de)熱來自LED光(guang)電(dian)轉換中(zhong)的(de)(de)損耗以及LED驅動電(dian)源。
傳統電(dian)光源(yuan)按發(fa)光原理分為典型(xing)白熾燈的(de)熱(re)幅(fu)射光源(yuan)和熒光燈等的(de)氣體放電(dian)光源(yuan)兩(liang)大類,前者(zhe)是利(li)用物(wu)體加熱(re)時輻射發(fa)光的(de)原理做成(cheng)的(de)光源(yuan),而后(hou)者(zhe)是在高溫和電(dian)場雙重作用下,直接激發(fa)形成(cheng)分子發(fa)光,兩(liang)者(zhe)的(de)發(fa)光過程(cheng)都需要熱(re),同時,產生的(de)熱(re)與(yu)發(fa)出(chu)的(de)光一起向周圍(wei)輻射。
LED的(de)(de)發(fa)光原(yuan)理是在外(wai)加(jia)電能(neng)(neng)(neng)量(liang)作(zuo)用下,芯片中PN結電子和空穴的(de)(de)輻(fu)(fu)射(she)復合發(fa)生(sheng)(sheng)電致發(fa)光,由于轉換效率的(de)(de)問題,終大概(gai)只有30%的(de)(de)輸(shu)(shu)入(ru)電能(neng)(neng)(neng)轉化(hua)(hua)為光能(neng)(neng)(neng),其(qi)余70%的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)主要(yao)以非(fei)輻(fu)(fu)射(she)復合發(fa)生(sheng)(sheng)的(de)(de)點陣(zhen)振動(dong)的(de)(de)形式轉化(hua)(hua)熱能(neng)(neng)(neng)。需(xu)要(yao)說明(ming)是LED發(fa)光過程中產生(sheng)(sheng)的(de)(de)熱并不是LED達到(dao)標稱工作(zuo)狀態所需(xu)要(yao)的(de)(de),相(xiang)反,LED亮度輸(shu)(shu)出與溫度成反比,而且熱傳遞的(de)(de)方(fang)式不是輻(fu)(fu)射(she)而是傳導。
從LED發光原理和(he)熱(re)傳(chuan)遞特性考慮,與傳(chuan)統燈具(ju)(ju)有(you)很大(da)不同的(de)熱(re)管理是LED燈具(ju)(ju)散熱(re)設計的(de)重要任(ren)務,其目標有(you)效地(di)將(jiang)LED芯片的(de)熱(re)有(you)效地(di)傳(chuan)導(dao)出(chu)去,并有(you)效地(di)控制(zhi)燈具(ju)(ju)的(de)微環境,將(jiang)LED結溫控制(zhi)在可接受的(de)范圍內(nei)。
LED結(jie)(jie)溫(wen)(wen)是(shi)燈具(ju)(ju)(ju)(ju)光電性能的(de)(de)關鍵(jian),但由于(yu)燈具(ju)(ju)(ju)(ju)中LED結(jie)(jie)溫(wen)(wen)測量比(bi)較困難,可行的(de)(de)評價方法是(shi)測量與LED結(jie)(jie)溫(wen)(wen)相(xiang)(xiang)關的(de)(de)燈具(ju)(ju)(ju)(ju)上點(dian)的(de)(de)溫(wen)(wen)度,如(ru)(ru)焊點(dian)、基(ji)座、燈具(ju)(ju)(ju)(ju)外殼等(deng)。通過控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)這些LED結(jie)(jie)溫(wen)(wen)相(xiang)(xiang)關點(dian)的(de)(de)溫(wen)(wen)度來控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)LED結(jie)(jie)溫(wen)(wen)。制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)商需(xu)確定(ding)其燈具(ju)(ju)(ju)(ju)產(chan)品(pin)的(de)(de)LED結(jie)(jie)溫(wen)(wen)相(xiang)(xiang)關的(de)(de)溫(wen)(wen)度控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)點(dian)和溫(wen)(wen)度,如(ru)(ru)LED模塊的(de)(de)焊點(dian)、基(ji)座、燈具(ju)(ju)(ju)(ju)外殼等(deng)等(deng),制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)商確定(ding)的(de)(de)這些參數(shu)應以產(chan)品(pin)信息(xi)的(de)(de)方式隨燈具(ju)(ju)(ju)(ju)提供。
除(chu)了(le)LED以(yi)外,LED燈(deng)具(ju)中的(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)也是發熱(re)部件(jian),為了(le)保證具(ju)有(you)與LED光源(yuan)(yuan)協調(diao)的(de)(de)(de)壽命,LED驅(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)熱(re)控制也非常重要(yao),燈(deng)具(ju)應選用具(ju)有(you)相應溫度適宜(yi)性的(de)(de)(de)LED驅(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan),如果采用內裝的(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan),燈(deng)具(ju)應根(gen)據其(qi)內環境溫度選擇(ze)標有(you)相應tc的(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)。選擇(ze)獨立安裝的(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan),則應根(gen)據安裝地可能的(de)(de)(de)環境溫度選擇(ze)具(ju)有(you)相應的(de)(de)(de)tc的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)。
4、機械部件和結構
機械的(de)(de)(de)作用(yong)是(shi)通過結構設計把燈具的(de)(de)(de)光(guang)學系(xi)(xi)統(tong)(tong)、電(dian)氣系(xi)(xi)統(tong)(tong)和熱系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)位置和相互關系(xi)(xi)確定下(xia)來,使燈具得以在設定的(de)(de)(de)環境中固定并安全的(de)(de)(de)使用(yong)。
傳統燈(deng)(deng)(deng)具(ju)的機(ji)械系統由固(gu)定(ding)光(guang)源、反射(she)器、燈(deng)(deng)(deng)的控(kong)制裝置等部件(jian)的結(jie)構(gou)(gou)(gou)、軟(ruan)纜或軟(ruan)線(xian)的走線(xian)結(jie)構(gou)(gou)(gou)、密封結(jie)構(gou)(gou)(gou)、機(ji)械防(fang)護結(jie)構(gou)(gou)(gou)、燈(deng)(deng)(deng)具(ju)固(gu)定(ding)結(jie)構(gou)(gou)(gou)和燈(deng)(deng)(deng)具(ju)調節結(jie)構(gou)(gou)(gou)等部分構(gou)(gou)(gou)成,具(ju)體由燈(deng)(deng)(deng)座(zuo)或光(guang)源連接(jie)器、燈(deng)(deng)(deng)座(zuo)安裝支(zhi)架、軟(ruan)線(xian)固(gu)定(ding)架、接(jie)線(xian)端子座(zuo)、載線(xian)座(zuo)、密封圈(quan)、外殼、燈(deng)(deng)(deng)罩(zhao)、調節手柄(bing)和燈(deng)(deng)(deng)具(ju)安裝架等組成。
由于(yu)LED光(guang)源(yuan)的特性(xing),LED光(guang)源(yuan)有LED模(mo)(mo)組、自鎮流LED模(mo)(mo)組和帶(dai)有燈(deng)頭自鎮流LED模(mo)(mo)組等幾種(zhong)形式(shi)(shi),除了(le)后一種(zhong)形式(shi)(shi)以外,其他兩種(zhong)LED模(mo)(mo)組不帶(dai)有燈(deng)頭,相應的LED燈(deng)具中沒(mei)有傳統的燈(deng)座,而是(shi)采(cai)用(yong)連接件。
5、LED燈具的光生物安全性
LED是窄光(guang)(guang)束、高亮(liang)度的(de)(de)(de)發光(guang)(guang)器件。隨著在(zai)LED的(de)(de)(de)功效不斷增大,亮(liang)度不斷提高,尤其是在(zai)大功率白光(guang)(guang)LED出現(xian)后,LED光(guang)(guang)輻(fu)射對人體的(de)(de)(de)危害(hai)(hai)(hai)已經引起各方(fang)面的(de)(de)(de)廣泛關注。過去的(de)(de)(de)LED出射光(guang)(guang)不會對人體造(zao)成危害(hai)(hai)(hai)的(de)(de)(de)時(shi)代也(ye)一去不復返了。LED和其它光(guang)(guang)源一樣,LED的(de)(de)(de)光(guang)(guang)輻(fu)射理論上也(ye)能(neng)對人體造(zao)成危害(hai)(hai)(hai)。傷(shang)(shang)害(hai)(hai)(hai)主要發生在(zai)人的(de)(de)(de)眼(yan)睛(jing)(jing)和皮(pi)膚,如皮(pi)膚和眼(yan)睛(jing)(jing)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)化學危害(hai)(hai)(hai)、眼(yan)睛(jing)(jing)的(de)(de)(de)近紫外危害(hai)(hai)(hai)、視網(wang)膜藍光(guang)(guang)光(guang)(guang)化學危害(hai)(hai)(hai)、視網(wang)膜無晶狀體光(guang)(guang)化學危害(hai)(hai)(hai)、視網(wang)膜熱危害(hai)(hai)(hai)和皮(pi)膚熱危害(hai)(hai)(hai)等,而(er)兩者(zhe)之中(zhong)更(geng)容易受到傷(shang)(shang)害(hai)(hai)(hai)的(de)(de)(de)是眼(yan)睛(jing)(jing)。