LED芯片/器件封裝缺陷的非接觸檢測技術

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類似的光伏效應的特點，導出了LED芯片/器件封裝質(zhì)量與光生電流之間的關系，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，應用市場迅速增長，這導致了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)不同的應用場合采用相應的外形尺寸。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)生復合，在復合過程中發(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），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），α為半導體PN結(jié)材料本身、摻雜濃度以及激勵光的波長有關的材料吸收系數(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，而這些參數(shù)正好是決定LED發(fā)光特性的關鍵參數(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。