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LED芯片封装缺陷检测方法研究

作者: 网络 编辑: 瑞凯仪器 来源: 网络 发布日期: 2020.07.30
    LED(Light-emittingdiode)由于寿命长、能耗低等优点被广泛地应用于指示、显示等领域。可靠性、稳定性及高出光率是LED取代现有照明光源必须考虑的因素。封装工艺是影响LED功能作用的主要因素之一,封装工艺关键工序有装架、压焊、封装。由于封装工艺本身的原因,导致LED封装过程中存在诸多缺陷(如重复焊接、芯片电极氧化等),统计数据显示:焊接系统的失效占整个半导体失效模式的比例是25%~30%,在国内,由于受到设备和产量的双重限制,多数生产厂家采用人工焊接的方法,焊接系统不合格占不合格总数的40%以上。从使用角度分析,LED封装过程中产生的缺陷,虽然使用初期并不影响其光电性能,但在以后的使用过程中会逐渐暴露出来并导致器件失效。在LED的某些应用领域,如高精密航天器材,其潜在的缺陷比那些立即出现致命性失效的缺陷危害更大。因此,如何在封装过程中实现对LED芯片的检测、阻断存在缺陷的LED进入后序封装工序,从而降低生产成本、提高产品的质量、避免使用存在缺陷的LED造成重大损失就成为LED封装行业急需解决的难题。
    目前,LED产业的检测技术主要集中于封装前晶片级的检测及封装完成后的成品级检测,而国内针对封装过程中LED的检测技术尚不成熟。本文在LED芯片非接触检测方法的基础上,在LED引脚式封装过程中,利用p-n结光生伏特效应,分析了封装缺陷对光照射LED芯片在引线支架中产生的回路光电流的影响,采用电磁感应定律测量该回路光电流,实现LED封装过程中芯片质量及封装缺陷的检测。
    1、理论分析

    1.1p-n结的光生伏特效应[m]根据p-n结光生伏特效应,光生电流IL表示为:

Il

    式中,A为p-n结面积,q是电子电量,Ln、Lp分别为电子和空穴的扩散长度,J表示以光子数计算的平均光强,α为p-n结材料的吸收系数,β是量子产额,即每吸收一个光子产生的电子一空穴对数。

    在LED引脚式封装过程中,每个LED芯片是被固定在引线支架上的,LED芯片通过压焊金丝(铝丝)与引线支架形成了闭合回路,如图1。若忽略引线支架电阻,LED支架回路光电流等于芯片光生电流IL。可见,当p-n结材料和掺杂浓度一定时,支架回路光电流与光照强度I成正比。


单个引脚式LED

    1.2封装缺陷机理

    LED芯片受到腐蚀因素影响或沾染油污时,在芯片电极表面生成一层非金属膜,产生封装缺陷[11]。电极表面存在非金属膜层的LED芯片压焊工序后,焊接处形成金属一介质-金属结构,也称为隧道结。当一定强度的光照射在LED芯片上,若LED芯片失效,支架回路无光电流流过若非金属膜层足够厚,只有极少数电子可以隧穿膜层势垒,LED支架回路也无光电流流过;若非金属膜层较薄,由于LED芯片光生电流在隧道结两侧形成电场,电子主要以场致发射的方式隧穿膜层,流过单位面积膜层的电流可表示为。

公式2

    其中q为电子电量,m为电子质量,矗为普朗克常数,vx、vy、vz分别是电子在x、y、z方向的隧穿速度,T(x)为电子的隧穿概率。又任意势垒的电子隧穿概率可表示为

公式3

    与传统光源灯具的光学系统相比,LED灯具光学系统具有如下特性:
    (1)光学系统一般由LED芯片和透镜组成LED单元或LED单元阵列组成,阵列有时排列在平整的铝基板上、也可能在突起的或凹下的成型基板上,灯具使用、或不使用透光罩。
    由于LED单元具有2π发光的光度特性,灯具的光度系统与传统光源灯有很大区别。
    制造商根据照明需求,将多个LED单元或数十个LED单元组合在基板上,而这种组合是由灯具制造商完成的,所以必须控制组合后LED单元光色的一致性,考核LED灯具的色空间均匀度。
    (2)由于LED的光电特性对PN结温度的变化非常敏感;封装树脂在高温和强光照射下会快速劣化;长期的光辐射会使荧光粉的光致转换率逐渐降低,并导致色座标会偏移。
    在给出LED灯具寿命评价方法时,应考虑温度的影响,并在限制色偏移的条件下,考核LED灯具的流明维持率。
    2、电气配件
    LED驱动电源是构成LED灯具性能优劣的关键要素,也是灯具选择或设计要件之一。
    LED是2V—3V的低电压恒流源驱动,所以不象普通的白炽灯泡可以直接连接220V的交流市电,必须要设计复杂的变换电路驱动LED。
    LED灯具电气设计应考虑灯具要使用LED特性和数量、灯具的安装地点,以及灯具在电网中的位置来考虑电气安全、恒流驱动、抗扰度和EMI,选择或设计合适的LED驱动电源。
    LED驱动电源的可选择参数包括与内部元器件工作温度相关的测温点与温度、驱动方式(恒压型、恒流型、或恒压恒流混合型)、功率因数、输出电流和输出电压的稳定性、单一功率负载或功率范围负载、能效等级。如是独立式安装,外壳防护等级、防触电类型、浪涌和雷击防护的适宜性也是重要参数。
    除了驱动电源本身以外,它与LED模组的电气连接也是LED灯具电气系统的重要组成部分,应充分考虑这些电气连接的安全性,包括应采用标准的连接件、充分绝缘、防触电保护等,特别应注意的是,由于可能存在多路连接,未来保证安装和维护是电气连接的正确可靠,应对连接件进行识别,如电源极性标记等。
    3、散热措施
    与传统光源灯具一样,LED灯具也是会发热的,LED灯具的热来自LED光电转换中的损耗以及LED驱动电源。
    传统电光源按发光原理分为典型白炽灯的热幅射光源和荧光灯等的气体放电光源两大类,前者是利用物体加热时辐射发光的原理做成的光源,而后者是在高温和电场双重作用下,直接激发形成分子发光,两者的发光过程都需要热,同时,产生的热与发出的光一起向周围辐射。
    LED的发光原理是在外加电能量作用下,芯片中PN结电子和空穴的辐射复合发生电致发光,由于转换效率的问题,最终大概只有30%的输入电能转化为光能,其余70%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。需要说明是LED发光过程中产生的热并不是LED达到标称工作状态所需要的,相反,LED亮度输出与温度成反比,而且热传递的方式不是辐射而是传导。
    从LED发光原理和热传递特性考虑,与传统灯具有很大不同的热管理是LED灯具散热设计的重要任务,其目标有效地将LED芯片的热有效地传导出去,并有效地控制灯具的微环境,将LED结温控制在可接受的范围内。
    LED结温是灯具光电性能的关键,但由于灯具中LED结温测量比较困难,可行的评价方法是测量与LED结温相关的灯具上点的温度,如焊点、基座、灯具外壳等。通过控制这些LED结温相关点的温度来控制LED结温。制造商需确定其灯具产品的LED结温相关的温度控制点和温度,如LED模块的焊点、基座、灯具外壳等等,制造商确定的这些参数应以产品信息的方式随灯具提供。
    除了LED以外,LED灯具中的驱动电源也是发热部件,为了保证具有与LED光源协调的寿命,LED驱动电源的热控制也非常重要,灯具应选用具有相应温度适宜性的LED驱动电源,如果采用内装的驱动电源,灯具应根据其内环境温度选择标有相应tc的驱动电源。选择独立安装的驱动电源,则应根据安装地可能的环境温度选择具有相应的tc的电源。
    4、机械部件和结构
    机械的作用是通过结构设计把灯具的光学系统、电气系统和热系统的位置和相互关系确定下来,使灯具得以在设定的环境中固定并安全的使用。
    传统灯具的机械系统由固定光源、反射器、灯的控制装置等部件的结构、软缆或软线的走线结构、密封结构、机械防护结构、灯具固定结构和灯具调节结构等部分构成,具体由灯座或光源连接器、灯座安装支架、软线固定架、接线端子座、载线座、密封圈、外壳、灯罩、调节手柄和灯具安装架等组成。
    由于LED光源的特性,LED光源有LED模组、自镇流LED模组和带有灯头自镇流LED模组等几种形式,除了最后一种形式以外,其他两种LED模组不带有灯头,相应的LED灯具中没有传统的灯座,而是采用连接件。
    5、LED灯具的光生物安全性
    LED是窄光束、高亮度的发光器件。随着在LED的功效不断增大,亮度不断提高,尤其是在大功率白光LED出现后,LED光辐射对人体的危害已经引起各方面的广泛关注。过去的LED出射光不会对人体造成危害的时代也一去不复返了。LED和其它光源一样,LED的光辐射理论上也能对人体造成危害。伤害主要发生在人的眼睛和皮肤,如皮肤和眼睛的光化学危害、眼睛的近紫外危害、视网膜蓝光光化学危害、视网膜无晶状体光化学危害、视网膜热危害和皮肤热危害等,而两者之中更容易受到伤害的是眼睛。
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本文标签: LED芯片封装

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