LED芯片封装缺陷检测方法研究

李慧文

摘要：LED是在19世纪60年代发展起来的一种半导体显示器件，，它以其优越的性能，被誉为新一代照明光源。基于此，本文对LED芯片封装缺陷检测方法进行了详细的论述。

关键词：LED；芯片封装；检测方法

LED因其寿命长、能耗低，在指示及显示等领域得到了广泛的应用。可靠性、稳定性及高出光率是LED替代现有照明光源时必须考虑的因素。封装工艺是影响LED功能的主要因素之一，其关键工序包括装架和压焊装。因封装工艺本身的原因，致使LED封装过程存在许多缺陷。因此，有必要研究LED芯片封装的缺陷检测方法。

1 LED芯片发光原理

LED芯片是一种固态的半导体器件，LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。其也称为LED发光芯片，是LED灯的核心组件，也就是指的P-N结。其主要功能是把电能转化为光能，芯片的主要材料为单晶硅。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来时，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片时，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

2 LED的特点和独特优势

在今后相当长时间、广阔的范围内，LED将作为第三代半导体照明光源，它将会替代传统光源。LED产品有以下优点：①光效率高，LED光谱几乎能全部集中到可见光频率，光效率能达到50%以上。相比于光效相当的白炽灯，其可见光效率只为10%～20%。②光线质量好：因LED光谱无红外线和紫外线，所以没有热量及辐射，是真正绿色环保的照明光源。③能耗小，单体LED功率一般在0.05～1W，生产中通过集群方式，采用量体裁衣的方式来满足不同产品的需要，浪费少。同样亮度下，用它作为光源，耗电量仅是普通白炽灯的1/10。④使用寿命长：按照光通量衰减至70%的标准，LED的使用寿命是10万h。一个LED半导体灯，在正常情况下能使用50年。⑤绿色环保，LED废弃物可回收再利用，无污染，不含汞。对环境保护和节约能源具有重要意义，尤其在公共环境中使用具有更加安全的特点。

3 LED芯片封装缺陷机理

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。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-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，只有极少数电子能隧穿膜层势垒，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

(1)

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

(2)

其中：j_in、j_out分别是进入膜层和穿过膜层的电流密度， 指向为芯片电极表面到压焊点， ( )为膜层中 方向任意点的势垒，E是垂直芯片电极表面速度为 电子的能量。

图1 在电场F作用下芯片电极表面的势垒

图1为在电场F作用下芯片电极表面的势垒图，其中E_F为费米能级， 为电子发射势垒。由图1可知，若芯片电极表面为突变结，其值为 ，光生电流在隧道结两侧形成的电场强度为F，电极表面以外的势垒为 。取芯片电极导带底为参考能级Eo( ＝0)，因而有 <0处， ( )=0； >O处， ( )＝ ，根据条件 ( )=E= 有 ＝ ，所以有

(3)

因此，电子在膜层中的隧穿概率为：

(4)

结合(1)、(4)式，积分可得单位膜层在电场F作用下的光电流：

(5)

令 则有

(6)

式中： 为膜层厚度，V为膜层隧道结两侧电压。当LED芯片发生光生伏特效应时，由式(6)可知，流过芯片电极表面非金属膜层的电流受到膜层厚度的影响，随着膜层增厚，流过膜层的电流减小，流过LED支架回路的光电流也将减小。

因此，引脚式LED支架回路光电流的有无或大小能反映封装工艺中LED芯片的功能状态及芯片电极与引线支架的电气连接情况，因此，可通过检测LED支架回路光电流达到检测引脚式封装工艺中芯片功能状态和封装缺陷。

4 LED封装缺陷的检测方法

完成压焊工序后，LED处于闭合短路状态，直接导出回路电流进行检测不可行。虽然支架回路有一定电阻，但光生电流只有微安量级，因而支架回路中的压降很小，用一般的电压测量方法难度大，而且接触式检测会引入接触电阻，影响检测的准确性。若交变光频率与LC谐振回路频率相等时，LC回路发生共振，此时次级线圈两端感生电动势最大。因此，可通过检测次级线圈两端感生电动势间接达到检测支架回路光电流的目的，实现对封装工艺中芯片功能状况及焊接质量的检测。

在磁芯材料确定的情况下，为了得到较大磁感应强度B，需改变线圈中磁芯的结构。若磁芯结构设计为环形，由式(7)知，磁感应强度B增大倍数理论上与磁芯的相对磁导率 大小相等，检测信号幅值将达到最大。与条形磁芯同种材质的U型磁芯上搭接一块条形磁芯就构成环形磁芯线圈，其搭接方式有两种，如图2所示。

图2 两种闭环磁芯线圈搭建方式

测时将绕有线圈的U型磁芯的一端插入闭合回路，感应LED支架回路中回路电流产生的交变磁通，再将条形磁芯搭接在U型磁芯上，使感应磁路闭合。由于搭接方式不同，两种搭接方式的磁芯线圈处在支架回路所产生的交变磁场中时，其搭接处磁路也将不同，用Ansoft Maxwell软件仿真两种搭接方式的磁芯搭接处在交变磁场中的磁回路，结果如图3所示。

图3 搭接处磁路仿真结果

图3中(a)、(b)仿真结果对应于图2中(a)、(b)两种线圈磁芯搭接方式。比较两种线圈磁芯搭接处磁路仿真结果可看出：①图2(a)示磁芯搭接处磁路在空气介质中的回路最短，所受磁阻最小，因此磁损耗也最小。②由于待测LED支架回路电流为微安量级，激起的磁场较小，易受空间电磁场的干扰，图2(b)示磁芯搭接处磁路暴露在空气介质中较多，受干扰的机率较大。由上述分析，图2(a)磁芯搭接方式较优，能增强信号检测端抑制干扰能力，增加检测信号幅值，一定程度上提高光激励检测信号信噪比，进而提高缺陷检测精度。

参考文献：

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[2]高新涛.LED芯片封装缺陷检测方法研究[J].企业技术开发，2015(15).

[3]余大海.LED芯片封装缺陷检测方法研究[J].传感技术学报,2014(07).