LED 芯片封裝缺陷檢測方法研究

　　完成壓焊工序后，LED處于閉合短路狀態(tài)，直接導(dǎo)出回路電流進(jìn)行檢測不可行。雖然支架回路有一定電阻，但光生電流只有微安量級，因而支架回路中的壓降非常小，用一般的電壓測量方法難度較大，而且接觸式檢測會引入接觸電阻，影響檢測的準(zhǔn)確性。因此，考慮用非接觸式的電流檢測方法。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，利用引腳式LED自身特征，檢測時(shí)將帶磁芯線圈中磁芯的一端插入圖1所示閉合回路z中，LED支架回路作為一級繞組，帶磁芯線圈作為次級繞組，并在線圈的兩端并聯(lián)上電容C，與線圈L組成LC諧振回路。以交變的光激勵(lì)LED芯片時(shí)，支架回路中產(chǎn)生交變電流，交流載流回路會在周圍空間產(chǎn)生交變磁場，次級線圈交變磁場則在次級線圈中產(chǎn)生感生電動勢。若交變光頻率與LC諧振回路頻率相等時(shí)，LC回路發(fā)生共振，此時(shí)次級線圈兩端感生電動勢最大。因此，可以通過檢測次級線圈兩端感生電動勢間接達(dá)到檢測支架回路光電流的目的，實(shí)現(xiàn)對封裝工藝中芯片功能狀況及焊接質(zhì)量的檢測。

　LC諧振回路中，線圈中磁芯起到增強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用，從而增加檢測信號幅值。又線圈中磁芯的有效磁導(dǎo)率與相對磁導(dǎo)率間關(guān)系可表示為[14]：

式中，μe磁芯的有效磁導(dǎo)率，脅為磁芯的相對磁導(dǎo)率，μr為磁芯的有效磁路長度，名為非閉合氣隙長度。

　　由式(8)可以看出，影響有效磁導(dǎo)率脅從而影響磁感應(yīng)強(qiáng)度B的參數(shù)有：

　?、俅判静牧系南鄬Υ艑?dǎo)率脅。與所選軟磁磁芯材料有關(guān)(軟磁材料初始相對磁導(dǎo)率一般大于1000)，當(dāng)磁芯材料選定后，其相對磁導(dǎo)率為確定值。

　?、诖判镜挠行чL度le、非閉合氣隙長度lg，它們由磁芯的結(jié)構(gòu)決定。微弱電流產(chǎn)生的磁場易受外界因素干擾，磁路越長，干擾越大，所以磁芯的有效長度宜短。

　　在磁芯材料確定的情況下，為了得到較大磁感應(yīng)強(qiáng)度B，需改變線圈中磁芯的結(jié)構(gòu)。若磁芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為環(huán)形，由式(8)知，磁感應(yīng)強(qiáng)度B增大倍數(shù)理論上與磁芯的相對磁導(dǎo)率盧，大小相等，檢測信號幅值將達(dá)到最大。與條形磁芯同種材質(zhì)的u型磁芯上搭接一塊條形磁芯就構(gòu)成環(huán)形磁芯線圈，其搭接方式有兩種，如圖3示。

　　檢測時(shí)將繞有線圈的U型磁芯的一端插入圖1所示1閉合回路，感應(yīng)LED支架回路中回路電流產(chǎn)生的交變磁通，再將條形磁芯搭接在U型磁芯上，使感應(yīng)磁路閉合。由于搭接方式不同，兩種搭接方式的磁芯線圈處在支架回路所產(chǎn)生的交變磁場中時(shí)，其搭接處磁路也將不同，用Ansoft Maxwell軟件仿真兩種搭接方式的磁芯搭接處在交變磁場中的磁回路，結(jié)果如圖4示

　　圖4中(a)、(b)仿真結(jié)果對應(yīng)于圖3中(a)、(b)兩種線圈磁芯搭接方式。比較兩種線圈磁芯搭接處磁路仿真結(jié)果可以看出：①圖3(a)示磁芯搭接處磁路在空氣介質(zhì)中的回路最短，所受磁阻最小，因此磁損耗也最小。②由于待測LED支架回路電流為微安量級，激起的磁場較小，易受空間電磁場的干擾，圖3(b)示磁芯搭接處磁路暴露在空氣介質(zhì)中較多，受干擾的幾率較大。由上述分析，圖3(a)磁芯搭接方式較優(yōu)，可以增強(qiáng)信號檢測端抑制干擾能力，增加檢測信號幅值，一定程度上提高光激勵(lì)檢測信號信噪比，進(jìn)而提高缺陷檢測精度。

　　2實(shí)驗(yàn)及分析

　　2．1實(shí)驗(yàn)

　　為了比較條形磁芯線圈與環(huán)形磁芯線圈對封裝缺陷檢測精度的影響，現(xiàn)分別使用條形磁芯線圈和圖3(a)示環(huán)形磁芯線圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。磁芯材料為 PC40，其初始相對磁導(dǎo)率約為2300，條形磁芯的外形幾何尺寸為1．6minx3．2ram×20mm，線圈匝數(shù)為300匝；環(huán)形磁芯橫截面尺寸為 1．6mm×3．2mm，其有效磁路長度約等于條形磁芯，線圈匝數(shù)為300匝。實(shí)驗(yàn)中激勵(lì)光源為一種超高亮度貼片式白光LED，激勵(lì)光源用占空比為50％的方波信號驅(qū)動，方波信號可由一系列正弦變化的信號疊加而成，使其基頻與諧振回路的工作頻率相同，即LC諧振回路實(shí)現(xiàn)了對方波信號的選頻，所以穿過線圈磁通鏈的變化率就是方波基頻信號的變化率；檢測對象分別是GaP材料12mil黃色焊接質(zhì)量合格的LED和焊接過程中芯片電極有非金屬膜的LED。從線圈兩端輸出的信號經(jīng)放大、濾波、峰值檢波后見圖5。實(shí)驗(yàn)中放大器的放大倍數(shù)為103倍。

　　2．2結(jié)果分析

　　本文介紹的LED芯片封裝缺陷檢測方法是通過檢測LED支架回路光電流間接實(shí)現(xiàn)的。由圖5可以看出，支架回路光電流激發(fā)的磁場在不同磁芯結(jié)構(gòu)線圈兩端感生電動勢大小不同；不同磁芯結(jié)構(gòu)線圈，檢測信號的信噪比差異較大。具體表現(xiàn)為：

　?、俸附淤|(zhì)量合格的LED，實(shí)驗(yàn)檢測值與理論計(jì)算值相吻合。圖5(a)為使用條形線圈磁芯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，封裝工藝中焊接質(zhì)量合格的LED，信號檢測端產(chǎn)生的光激勵(lì)信號經(jīng)放大、濾波、峰值檢波后幅值約為60mV。選12mil黃色LED芯片進(jìn)行理論值計(jì)算，芯片面積A=0.3mm×0．3mm，取 β=0.5當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)單位面積被半導(dǎo)體材料吸收的平均光強(qiáng)(以光子數(shù)計(jì))為5.45×1021個(gè)／m2s 時(shí)，由式(1)可計(jì)算出光生電流約為42μA。由畢奧-薩伐爾定理、疊加定理及法拉第電磁感應(yīng)定律，可求得12mil黃色LED芯片在信號檢測端感生電動勢幅值約為63mV,去除實(shí)驗(yàn)誤差和計(jì)算誤差，理論值和實(shí)驗(yàn)值較好地吻合。