LED芯片/器件封裝缺陷的非接觸檢測(cè)技術(shù)

3.2LED光伏特性的等效電路

對(duì)于支架式封裝的LED而言，在封裝過(guò)程中是將一組連筋的支架裝夾在封裝機(jī)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(gè)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(duì)于LED封裝質(zhì)量的常規(guī)檢測(cè)方法而言，這種工作條件是完全無(wú)法開(kāi)展檢測(cè)的。

由于實(shí)際的LED并不是一個(gè)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(guò)支架的光生電流IL1。因此支架上流過(guò)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(shí)LED的負(fù)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(gè)恒流源，則光照時(shí)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(gè)理想電流源IL、一個(gè)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(guò)的負(fù)載電流，IF是流過(guò)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(jī)制有關(guān)的一個(gè)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(guò)的電流IL1的關(guān)系為：

由式（7）可以看出，對(duì)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(guò)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(cè)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(cè)的弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

4.1系統(tǒng)實(shí)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(duì)芯片質(zhì)量、固晶質(zhì)量、壓焊質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)挑出次品進(jìn)行人工修補(bǔ)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)LED封裝生產(chǎn)線的相應(yīng)工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，進(jìn)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(duì)封裝的效果進(jìn)行非接觸檢測(cè)，指導(dǎo)對(duì)環(huán)氧灌膠、固化工藝的實(shí)時(shí)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(jìn)行芯片/封裝的非接觸檢測(cè)，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(lì)；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(duì)芯片的質(zhì)量缺陷進(jìn)行判斷。為此采用圖3所示原理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)LED的非接觸檢測(cè)[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(duì)LED激發(fā)使其產(chǎn)生光伏效應(yīng)。而在信號(hào)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(hào)，以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。最后采用采用式（7）對(duì)光電流進(jìn)行計(jì)算處理，對(duì)LED的質(zhì)量進(jìn)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(huì)產(chǎn)生光伏效應(yīng)，但其光伏效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于作為光電探測(cè)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(jí)，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(gè)關(guān)鍵。雖然采用電磁耦合方式可實(shí)現(xiàn)LED光生電流的非接觸測(cè)量，但是電磁耦合的方式同時(shí)也會(huì)耦合進(jìn)了空間電磁場(chǎng)，這些外界電磁場(chǎng)噪聲與干擾遠(yuǎn)遠(yuǎn)比光生電流IL強(qiáng)，因此從強(qiáng)烈的外界電磁場(chǎng)信號(hào)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(shí)現(xiàn)了從強(qiáng)烈的環(huán)境噪聲中分離光生電流IL的目的。

4.2系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

利用圖3所示原理系統(tǒng)，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)數(shù)組支架式LED封裝產(chǎn)品進(jìn)行了原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)有系統(tǒng)檢測(cè)效果的綜合定性實(shí)驗(yàn)、芯片固晶錯(cuò)位對(duì)LED輸出光生電流影響的模擬實(shí)驗(yàn)、引線焊接質(zhì)量對(duì)LED輸出光生電流的模擬影響實(shí)驗(yàn)等[4][5]。

4.2.1不同芯片LED的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

圖4是不同芯片LED的對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(duì)比實(shí)驗(yàn)，圖4（d）則是沒(méi)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(shí)驗(yàn)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(cè)時(shí)間僅5毫秒，如果按1：1的信號(hào)占空比計(jì)算，則在不考慮機(jī)械運(yùn)動(dòng)與慣性的條件下，純粹從電氣處理的角度看，此方法可以達(dá)到100只/秒的檢測(cè)速度。

4.2.2LED芯片固晶錯(cuò)位影響的模擬實(shí)驗(yàn)

當(dāng)固晶位置有偏差時(shí)，芯片將偏離環(huán)氧透鏡球心位置，這時(shí)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(qiáng)P變?nèi)?。由式?）可以看出，入射光強(qiáng)P的變化將引起IL1的線性變化。因此系統(tǒng)輸出的信號(hào)強(qiáng)度，也能反映固晶的質(zhì)量。為此通過(guò)調(diào)整照射LED的激光光源強(qiáng)度，來(lái)模擬固晶偏差，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，與（7）式完全吻合。