LED芯片/器件封裝缺陷的非接觸檢測技術(shù)

摘要：為了在大批量封裝生產(chǎn)線上對LED的封裝質(zhì)量進行實時檢測，利用LED具有與PD類似的光伏效應(yīng)的特點，導(dǎo)出了LED芯片/器件封裝質(zhì)量與光生電流之間的關(guān)系，并根據(jù)LED封裝工藝過程的特點，研制了LED封裝質(zhì)量非接觸檢測實驗平臺，完成了芯片、固晶、焊接質(zhì)量影響的模擬實驗，證實了方法的可行性，并開發(fā)出了實際樣機。

1、引言

近些年來，隨著制造成本的下降和發(fā)光效率、光衰等技術(shù)瓶頸的突破，我國的LED照明產(chǎn)業(yè)進入了加速發(fā)展階段，應(yīng)用市場迅速增長，這導(dǎo)致了LED封裝產(chǎn)品的巨大市場，催生出了成千上萬家LED封裝企業(yè)，使我國成為國際上LED封裝的第一產(chǎn)量大國，LED封裝產(chǎn)品的年產(chǎn)值從2004年的99億元、2006年的140億元，發(fā)展到2008年的185億元，而年產(chǎn)量更是已經(jīng)突破萬億只[1][2]。若LED封裝的廢品/次品率為0.1%，則全國每年萬億只LED封裝產(chǎn)品中就可能產(chǎn)生數(shù)億只廢品/次品，造成近億元的直接經(jīng)濟損失。

為了保證封裝質(zhì)量，LED封裝企業(yè)都是通過在封裝前的鏡檢與封裝后的分檢來保證LED封裝質(zhì)量。封裝前的鏡檢即在封裝前對用顯微鏡對原材料芯片進行人工外觀檢查，觀察芯片材料表面是否有機械損傷及麻點麻坑、芯片尺寸及電極大小是否符合工藝要求、電極圖案是否完整，并剔除不合格芯片，避免其流入下道工藝、產(chǎn)生次品；封裝后的分檢即在封裝完成后，采用自動分光分色機對封裝成品的光、電參數(shù)進行檢查，并根據(jù)檢測結(jié)果進行分檔、然后包裝。顯然封裝前的鏡檢與封裝后的分檢，只能將封裝中生產(chǎn)出的次品與正品區(qū)分開來、或?qū)⒄钒磪?shù)進行分檔，不能提高封裝的成品率。

對于現(xiàn)代化的全自動封裝線，其自身的任何微小差異都將迅速對封裝產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。則因此在全自動封裝線全面普及的條件下，在封裝生產(chǎn)過程中主動地對封裝質(zhì)量進行在線實時檢測，已經(jīng)成了提高封裝水平、保證封裝質(zhì)量的一個必然需求。由于LED芯片尺寸小、封裝工藝要求高、封裝生產(chǎn)速度快，因此很難在封裝過程中進行實時的質(zhì)量檢測與控制。

2、LED封裝工藝的特點分析

要在LED封裝工藝過程中對其芯片/封裝質(zhì)量進行實時在線檢測，就必須首先了解LED封裝的工藝特點、LED的參數(shù)特點。

2.1LED封裝的工藝過程

LED封裝的任務(wù)是將外引線連接到LED芯片的電極上，同時保護好LED芯片，并且起到提高光取出效率的作用。而LED的封裝形式是五花八門，主要根據(jù)不同的應(yīng)用場合采用相應(yīng)的外形尺寸。而支架式全環(huán)氧包封是目前用量最大、產(chǎn)量最高的形式，因此也應(yīng)該是LED封裝產(chǎn)品質(zhì)量在線檢測的重點突破對象。

支架式全環(huán)氧包封的主要工序是[4]，首先對LED芯片進行鏡檢、擴片，并在一組連筋的支架排中每個LED支架的反光碗中心處以及芯片的背電極處點上銀膠（即點膠、備膠工藝），然后用真空吸嘴將LED芯片吸起安置在支架的反光碗中心處，并通過燒結(jié)將芯片的背電極與支架固結(jié)在一起（即固晶工藝）；通過壓焊將電極引線引到LED芯片上，完成產(chǎn)品內(nèi)外引線的連接工作（即壓焊工藝）；將光學(xué)環(huán)氧膠真空除泡后灌注入LED成型模內(nèi)、然后將支架整體壓入LED成型模內(nèi)（即灌膠工藝），對環(huán)氧膠進行高溫固化、退火降溫，固化之后脫模（即固化工藝），最后切斷LED支架的連筋(圖1所示)，最后進行分檢、包裝。

2.2LED封裝工藝的特點分析

從LED的封裝工藝過程看，在芯片的擴片、備膠、點晶環(huán)節(jié)，有可能對芯片造成損傷，對LED的所有光、電特性產(chǎn)生影響；而在支架的固晶、壓焊過程中，則有可能產(chǎn)生芯片錯位、內(nèi)電極接觸不良，或者外電極引線虛焊或焊接應(yīng)力，芯片錯位影響輸出光場的分布及效率，而內(nèi)外電極的接觸不良或虛焊則會增大LED的接觸電阻；在灌膠、環(huán)氧固化工藝中，則可能產(chǎn)生氣泡、熱應(yīng)力，對LED的輸出光效產(chǎn)生影響。

因此可知，LED芯片與封裝工藝皆會對其光、電特性產(chǎn)生影響，因此LED的最終質(zhì)量是各個工藝環(huán)節(jié)的綜合反映。要提高其封裝產(chǎn)品質(zhì)量，需要對各個生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)進行實時檢測、調(diào)整工藝參數(shù)，以將次品、廢品控制在最低限度。

由于封裝工藝過程的精細、復(fù)雜、高速特性，常規(guī)的接觸式測量幾乎難以實現(xiàn)封裝中的質(zhì)量檢測，非接觸測量是最有希望的手段。

3、非接觸檢測的基本原理

3.1LED芯片的光伏特性

發(fā)光二極管LED芯片的核心是摻雜的PN結(jié)，當(dāng)給它施加正向工作電壓VD時，驅(qū)使價帶中的空穴穿過PN結(jié)進入N型區(qū)、同時驅(qū)動導(dǎo)帶中的電子越過PN結(jié)進入P型區(qū)，在結(jié)的附近多余的載流子會發(fā)生復(fù)合，在復(fù)合過程中發(fā)光、從而把電能轉(zhuǎn)換為光能。其在電流驅(qū)動條件下發(fā)光的性質(zhì)是由PN的摻雜特性決定，而光電二極管PD的光電特性的也是由PN的摻雜特性決定的，因此LED與PD在本質(zhì)上有相近之處，這樣當(dāng)光束照射到開路的LED芯片上時，會在LED芯片的PN結(jié)兩端分別產(chǎn)生光生載流子電子、空穴的堆積，形成光生電壓VL。若將此LED芯片的外電路短路，則其PN結(jié)兩端的光生載流子會定向流動形成光生電流IL：

式中：A為芯片的PN結(jié)面積，q是電子電量，w是PN結(jié)的勢壘區(qū)寬度，Ln、Lp分別為電子、空穴的擴散長度，β是量子產(chǎn)額（即每吸收一個光子產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)），P是照射到PN結(jié)上的平均光強度(即單位時間內(nèi)單位面積被半導(dǎo)體材料吸收的光子數(shù))。它們分別為：

其中，μn、μp分別為電子、空穴遷移率（與材料本身、摻雜濃度以及溫度有關(guān)），KB為玻爾茲曼常數(shù)，T為開氏溫度，τn、τp分別為電子、空穴載流子壽命（與材料本身及溫度有關(guān)），α為半導(dǎo)體PN結(jié)材料本身、摻雜濃度以及激勵光的波長有關(guān)的材料吸收系數(shù)，d是PN結(jié)的厚度，P(x)是在PN結(jié)內(nèi)位置x處的激勵光強度。

考察式（1）~（3）可知，LED芯片的光伏特性與其PN結(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)相關(guān)，而這些參數(shù)正好是決定LED發(fā)光特性的關(guān)鍵參數(shù)，因此如果一只LED芯片的發(fā)光特性好、則其光伏特性也好，反之亦然。因此可以利用LED芯片發(fā)光特性與光伏特性之間的這種內(nèi)在聯(lián)系，通過測試其光伏特性來間接檢驗其發(fā)光特性，判斷LED芯片質(zhì)量的優(yōu)劣，實現(xiàn)其封裝質(zhì)量的非接觸檢測。

3.2LED光伏特性的等效電路

對于支架式封裝的LED而言，在封裝過程中是將一組連筋的支架裝夾在封裝機上，然后將芯片與支架封裝在一起，構(gòu)成圖1所示的支架封裝結(jié)構(gòu)。由圖1（b）、（c）可以看出，LED的支架、支架連筋、引線、銀膠與LED芯片一起，構(gòu)成了一個完整的外電路短接通道，正符合光伏效應(yīng)的工作要求。而對于LED封裝質(zhì)量的常規(guī)檢測方法而言，這種工作條件是完全無法開展檢測的。

由于實際的LED并不是一個單純的理想PN結(jié)，它不僅包含PN結(jié)的內(nèi)阻、并聯(lián)電阻及串聯(lián)電阻，還包含支架、支架連筋、引線、銀膠，因此PN結(jié)在外界光照下產(chǎn)生的光生伏特效應(yīng)形成的光生電流IL并不完全等于流過支架的光生電流IL1。因此支架上流過的電流是LED光電參數(shù)的綜合反映。

若將引線支架的內(nèi)阻RL看作是光照時LED的負載、PN結(jié)光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生的光生電流IL看作為一個恒流源，則光照時LED的等效電路如圖2所示。即工作于光生伏特效應(yīng)下的LED由可等效為一個理想電流源IL、一個理想二極管D、以及相應(yīng)的等效串、并聯(lián)電阻Rsh、Rs。其中等效并聯(lián)電阻Rsh包括PN結(jié)內(nèi)的漏電阻以及結(jié)邊緣的漏電阻，而等效串聯(lián)電阻Rs包括P區(qū)和N區(qū)的體電阻Rs1、電極的電阻以及電極和結(jié)之間的接觸電阻Rs2，且

而IL1是引線支架上流過的負載電流，IF是流過理想二極管D的正向電流，它與二極管兩端的電壓VD滿足關(guān)系式：

式中Is是二極管的反向飽和電流，η是與PN結(jié)電流復(fù)合機制有關(guān)的一個參數(shù)，它們都是由LED芯片的特性決定。因此IF反映了LED的芯片特性。

根據(jù)圖2所示的等效電路，可以得到光生電流IL與支架上流過的電流IL1的關(guān)系為：

由式（7）可以看出，對于LED封裝產(chǎn)品而言，外線路上的電流IL1由兩部分組成，其中分子部分主要反映芯片的內(nèi)在質(zhì)量，而分母則主要反映芯片外部的器件質(zhì)量（如封裝過程中存在的固晶膠連、引線焊接質(zhì)量等諸多缺陷）。因此只要檢測連筋上的光電流，既可全面掌握LED芯片/器件的封裝質(zhì)量。

4、LED封裝質(zhì)量非接觸在線檢測的弱信號檢測技術(shù)

4.1系統(tǒng)實現(xiàn)原理

考察圖1（b）、（c）及式（7）可知，在LED壓焊之后、灌膠之前，就已經(jīng)形成了LED光伏效應(yīng)必須的短接電路，因此可以在壓焊后、灌膠前，利用LED的光伏效應(yīng)對芯片質(zhì)量、固晶質(zhì)量、壓焊質(zhì)量進行檢測，及時挑出次品進行人工修補，并根據(jù)檢測結(jié)果對LED封裝生產(chǎn)線的相應(yīng)工藝參數(shù)進行實時修正，進一步控制次品率。而在環(huán)氧封裝完成后、切筋前的環(huán)節(jié)，則還可以再次利用LED的光伏效應(yīng)對封裝的效果進行非接觸檢測，指導(dǎo)對環(huán)氧灌膠、固化工藝的實時調(diào)整，剔除次品/廢品。

根據(jù)圖1及式（7）可知，利用LED的光伏效應(yīng)進行芯片/封裝的非接觸檢測，其關(guān)鍵有三，一是用特定光束準(zhǔn)確地照射到LED芯片上，非接觸地提供光伏效應(yīng)所需的光激勵；二是用特殊的技術(shù)手段不，非接觸地獲取支架回路中的光生電流；三是根據(jù)獲取的光生電流，對芯片的質(zhì)量缺陷進行判斷。為此采用圖3所示原理系統(tǒng)，實現(xiàn)LED的非接觸檢測[5][6]。

其中半導(dǎo)體激光器LD發(fā)出的光經(jīng)聚焦后投射到LED芯片上，以對LED激發(fā)使其產(chǎn)生光伏效應(yīng)。而在信號的采集環(huán)節(jié)，采用電磁耦合方式獲取LED在光照下輸出的電流信號，以實現(xiàn)非接觸測量。最后采用采用式（7）對光電流進行計算處理，對LED的質(zhì)量進行判別，并找出影響封裝質(zhì)量的原因，區(qū)分出芯片、封裝的因素。

雖然在光照下LED會產(chǎn)生光伏效應(yīng)，但其光伏效應(yīng)遠遠弱于作為光電探測器的光電二極管PD，因此其光生電流IL極為微弱，只有微安數(shù)量級，因此非接觸地獲取支架回路中的光生電流，是其中技術(shù)難度最大的一個關(guān)鍵。雖然采用電磁耦合方式可實現(xiàn)LED光生電流的非接觸測量，但是電磁耦合的方式同時也會耦合進了空間電磁場，這些外界電磁場噪聲與干擾遠遠比光生電流IL強，因此從強烈的外界電磁場信號中提取出十分微弱的光生電流IL非常困難。為此采用抗混濾波、鎖相放大的組合方式，實現(xiàn)了從強烈的環(huán)境噪聲中分離光生電流IL的目的。

4.2系統(tǒng)驗證實驗

利用圖3所示原理系統(tǒng)，搭建了試驗平臺，對數(shù)組支架式LED封裝產(chǎn)品進行了原理驗證實驗。實驗條件是支架式LED封裝環(huán)氧封裝脫模后、但尚未切斷連筋的成品組。主要實驗有系統(tǒng)檢測效果的綜合定性實驗、芯片固晶錯位對LED輸出光生電流影響的模擬實驗、引線焊接質(zhì)量對LED輸出光生電流的模擬影響實驗等[4][5]。

4.2.1不同芯片LED的對比實驗

圖4是不同芯片LED的對比實驗效果。其中圖4（a）、（b）、（c）分別是三只不同芯片LED在同等條件下的對比實驗，圖4（d）則是沒有LED的輸出結(jié)果（相當(dāng)于純粹環(huán)境噪聲的結(jié)果）。從圖4可看出，不同芯片的差異得到了充分的體現(xiàn)；而且從表1可看出，30次實驗重復(fù)結(jié)果有極好的一致性。另外從圖4還可以看出，每只LED的檢測時間僅5毫秒，如果按1：1的信號占空比計算，則在不考慮機械運動與慣性的條件下，純粹從電氣處理的角度看，此方法可以達到100只/秒的檢測速度。

4.2.2LED芯片固晶錯位影響的模擬實驗

當(dāng)固晶位置有偏差時，芯片將偏離環(huán)氧透鏡球心位置，這時入射的激光束經(jīng)透鏡后將產(chǎn)生偏折而不能全部聚焦到芯片上，導(dǎo)致芯片接受到得總光強P變?nèi)酢Ｓ墒剑?）可以看出，入射光強P的變化將引起IL1的線性變化。因此系統(tǒng)輸出的信號強度，也能反映固晶的質(zhì)量。為此通過調(diào)整照射LED的激光光源強度，來模擬固晶偏差，其實驗結(jié)果如圖5所示，與（7）式完全吻合。

4.2.3引線焊接質(zhì)量影響的模擬實驗結(jié)果

在圖2所示的等效電路中，Rs2與負載RL是串聯(lián)的，由于電極的電阻以及電極和結(jié)之間的接觸電阻Rs2很難直接測量，因此實驗中通過串聯(lián)不同的負載電阻RL來模擬接觸電阻Rs對檢測結(jié)果造成的影響，其試驗結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，隨著外加負載RL的增大，流過負載的電流越來越小。實驗與理論都表明，接觸電阻Rs的微小變化會使支架上流過的電流IL1產(chǎn)生很大的改變。對于功能完好的LED芯片，通過測量支架上流過的光生電流IL1可以計算得到LED的串聯(lián)電阻Rs。若串聯(lián)電阻值無窮大，則芯片與電極之間可能出現(xiàn)了銀膠脫膠、漏焊或者焊絲斷裂問題，若串聯(lián)電阻與正常連接狀態(tài)下的串聯(lián)電阻有大的差異，則芯片與電極之間可能出現(xiàn)了其它的焊接問題，如虛焊、重復(fù)焊接等。因此，通過分析支架上流過的光生電流值，可以檢測LED封裝過程中芯片與引線支架之間的電氣連接狀態(tài)。

5、結(jié)論

由于我國LED封裝產(chǎn)量十分巨大，因此在大批量封裝生產(chǎn)線上對LED的封裝質(zhì)量進行實時在線檢測，能夠替代有效改善目前大批量的封裝生產(chǎn)企業(yè)采用的人工肉眼檢查落后現(xiàn)狀、有效降低次品/廢品率。為此，充分利用LED具有與PD類似的光伏效應(yīng)的特點、以及所建立的LED芯片/器件封裝質(zhì)量與光電流之間的關(guān)系，搭建了LED封裝質(zhì)量非接觸檢測實驗平臺，并通過模擬實驗證明了芯片差異、固晶質(zhì)量、焊接質(zhì)量的影響都可以通過檢測儀輸出信號的特征體現(xiàn)出來，而且檢測的離散度小于10-6，檢測速度可達100只/秒。在此基礎(chǔ)上，還開發(fā)出了圖7所示實際檢測樣機[7]，并正在進行實際檢測樣機與封裝生產(chǎn)線的系統(tǒng)集成，以及LED參數(shù)的進一步的量化研究。