LED芯片/器件封裝缺陷的非接觸檢測(cè)技術(shù)

摘要：為了在大批量封裝生產(chǎn)線(xiàn)上對(duì)LED的封裝質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，利用LED具有與PD類(lèi)似的光伏效應(yīng)的特點(diǎn)，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(guò)程的特點(diǎn)，研制了LED封裝質(zhì)量非接觸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成了芯片、固晶、焊接質(zhì)量影響的模擬實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了方法的可行性，并開(kāi)發(fā)出了實(shí)際樣機(jī)。

1、引言

近些年來(lái)，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(guó)的LED照明產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了加速發(fā)展階段，應(yīng)用市場(chǎng)迅速增長(zhǎng)，這導(dǎo)致了LED封裝產(chǎn)品的巨大市場(chǎng)，催生出了成千上萬(wàn)家LED封裝企業(yè)，使我國(guó)成為國(guó)際上LED封裝的第一產(chǎn)量大國(guó)，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(wàn)億只[1][2]。若LED封裝的廢品/次品率為0.1%，則全國(guó)每年萬(wàn)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(jì)損失。

為了保證封裝質(zhì)量，LED封裝企業(yè)都是通過(guò)在封裝前的鏡檢與封裝后的分檢來(lái)保證LED封裝質(zhì)量。封裝前的鏡檢即在封裝前對(duì)用顯微鏡對(duì)原材料芯片進(jìn)行人工外觀檢查，觀察芯片材料表面是否有機(jī)械損傷及麻點(diǎn)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(dòng)分光分色機(jī)對(duì)封裝成品的光、電參數(shù)進(jìn)行檢查，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)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(kāi)來(lái)、或?qū)⒄钒磪?shù)進(jìn)行分檔，不能提高封裝的成品率。

對(duì)于現(xiàn)代化的全自動(dòng)封裝線(xiàn)，其自身的任何微小差異都將迅速對(duì)封裝產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。則因此在全自動(dòng)封裝線(xiàn)全面普及的條件下，在封裝生產(chǎn)過(guò)程中主動(dòng)地對(duì)封裝質(zhì)量進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)，已經(jīng)成了提高封裝水平、保證封裝質(zhì)量的一個(gè)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(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)的質(zhì)量檢測(cè)與控制。

2、LED封裝工藝的特點(diǎn)分析

要在LED封裝工藝過(guò)程中對(duì)其芯片/封裝質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)，就必須首先了解LED封裝的工藝特點(diǎn)、LED的參數(shù)特點(diǎn)。

2.1LED封裝的工藝過(guò)程

LED封裝的任務(wù)是將外引線(xiàn)連接到LED芯片的電極上，同時(shí)保護(hù)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(mén)，主要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)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(xiàn)檢測(cè)的重點(diǎn)突破對(duì)象。

支架式全環(huán)氧包封的主要工序是[4]，首先對(duì)LED芯片進(jìn)行鏡檢、擴(kuò)片，并在一組連筋的支架排中每個(gè)LED支架的反光碗中心處以及芯片的背電極處點(diǎn)上銀膠（即點(diǎn)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(guò)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(guò)壓焊將電極引線(xiàn)引到LED芯片上，完成產(chǎn)品內(nèi)外引線(xiàn)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(duì)環(huán)氧膠進(jìn)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(jìn)行分檢、包裝。

2.2LED封裝工藝的特點(diǎn)分析

從LED的封裝工藝過(guò)程看，在芯片的擴(kuò)片、備膠、點(diǎn)晶環(huán)節(jié)，有可能對(duì)芯片造成損傷，對(duì)LED的所有光、電特性產(chǎn)生影響；而在支架的固晶、壓焊過(guò)程中，則有可能產(chǎn)生芯片錯(cuò)位、內(nèi)電極接觸不良，或者外電極引線(xiàn)虛焊或焊接應(yīng)力，芯片錯(cuò)位影響輸出光場(chǎng)的分布及效率，而內(nèi)外電極的接觸不良或虛焊則會(huì)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(duì)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(huì)對(duì)其光、電特性產(chǎn)生影響，因此LED的最終質(zhì)量是各個(gè)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(duì)各個(gè)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、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(guò)程的精細(xì)、復(fù)雜、高速特性，常規(guī)的接觸式測(cè)量幾乎難以實(shí)現(xiàn)封裝中的質(zhì)量檢測(cè)，非接觸測(cè)量是最有希望的手段。

3、非接觸檢測(cè)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(shí)，驅(qū)使價(jià)帶中的空穴穿過(guò)PN結(jié)進(jìn)入N型區(qū)、同時(shí)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)帶中的電子越過(guò)PN結(jié)進(jìn)入P型區(qū)，在結(jié)的附近多余的載流子會(huì)發(fā)生復(fù)合，在復(fù)合過(guò)程中發(fā)光、從而把電能轉(zhuǎn)換為光能。其在電流驅(qū)動(dòng)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(kāi)路的LED芯片上時(shí)，會(huì)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(huì)定向流動(dòng)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(shì)壘區(qū)寬度，Ln、Lp分別為電子、空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度，β是量子產(chǎn)額（即每吸收一個(gè)光子產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)），P是照射到PN結(jié)上的平均光強(qiáng)度(即單位時(shí)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(kāi)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(lì)光的波長(zhǎng)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(lì)光強(qiáng)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(guò)測(cè)試其光伏特性來(lái)間接檢驗(yàn)其發(fā)光特性，判斷LED芯片質(zhì)量的優(yōu)劣，實(shí)現(xiàn)其封裝質(zhì)量的非接觸檢測(cè)。