基于LED芯片封裝缺陷檢測(cè)方法研究

　　檢測(cè)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(chǎng)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(chǎng)中的磁回路，結(jié)果如圖4示

　　圖4中(a)、(b)仿真結(jié)果對(duì)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(cè)LED支架回路電流為微安量級(jí)，激起的磁場(chǎng)較小，易受空間電磁場(chǎng)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(hào)檢測(cè)端抑制干擾能力，增加檢測(cè)信號(hào)幅值，一定程度上提高光激勵(lì)檢測(cè)信號(hào)信噪比，進(jìn)而提高缺陷檢測(cè)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(duì)封裝缺陷檢測(cè)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(duì)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(zhǎng)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(hào)驅(qū)動(dòng)，方波信號(hào)可由一系列正弦變化的信號(hào)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(duì)方波信號(hào)的選頻，所以穿過(guò)線圈磁通鏈的變化率就是方波基頻信號(hào)的變化率;檢測(cè)對(duì)象分別是GaP材料12mil黃色焊接質(zhì)量合格的LED和焊接過(guò)程中芯片電極有非金屬膜的LED。從線圈兩端輸出的信號(hào)經(jīng)放大、濾波、峰值檢波后見(jiàn)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(cè)方法是通過(guò)檢測(cè)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(chǎng)在不同磁芯結(jié)構(gòu)線圈兩端感生電動(dòng)勢(shì)大小不同;不同磁芯結(jié)構(gòu)線圈，檢測(cè)信號(hào)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(cè)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(hào)檢測(cè)端產(chǎn)生的光激勵(lì)信號(hào)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(hào)檢測(cè)端感生電動(dòng)勢(shì)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。

　?、趯?duì)于環(huán)形結(jié)構(gòu)磁芯線圈，實(shí)驗(yàn)值較理論值小。根據(jù)式(8)，對(duì)于條形結(jié)構(gòu)磁芯線圈，假設(shè)磁芯有效磁路長(zhǎng)度le=100lg，此時(shí)有效磁導(dǎo)率μe≈100。若磁芯改為環(huán)形，則非閉合氣隙長(zhǎng)度lg≈0，此時(shí)有效磁導(dǎo)率μe≈μr=2300，由理論計(jì)算可知，12mil黃色焊接質(zhì)量合格LED在信號(hào)檢測(cè)端感生電動(dòng)勢(shì)幅值約為1.4V;由圖5(b)知，實(shí)驗(yàn)得到信號(hào)值約為220mV，實(shí)驗(yàn)值遠(yuǎn)小于理論值。上述計(jì)算是在理想情況下進(jìn)行的，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，環(huán)形磁芯線圈是由U形磁芯和條形磁芯搭接而成的，搭接處氣隙lg仍然存在，因而磁路不可能完全閉合，由式(8)知，氣隙對(duì)有效磁導(dǎo)率影響很大，所以有效磁導(dǎo)率仍小于相對(duì)磁導(dǎo)率，因此，實(shí)驗(yàn)值遠(yuǎn)小于理論值。

　?、鄄煌判窘Y(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)LED封裝缺陷的檢測(cè)，但檢測(cè)信號(hào)的信噪比差異較大。由圖5可以看出，雖然實(shí)驗(yàn)中磁芯線圈采用不同結(jié)構(gòu)，對(duì)于焊接質(zhì)量合格的LED，其光激勵(lì)檢測(cè)信號(hào)均明顯大于封裝過(guò)程中芯片電極表面存在非金屬膜的LED光激勵(lì)檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)比較兩者檢測(cè)信號(hào)幅值的大小，可將封裝過(guò)程中芯片電極表面存在非金屬膜的LED撿出。對(duì)圖5(a)，實(shí)驗(yàn)使用的線圈中磁芯為條形結(jié)構(gòu)，存在氣隙lg，磁感應(yīng)強(qiáng)度B增強(qiáng)倍數(shù)為有效磁導(dǎo)率μe，同時(shí)檢測(cè)信號(hào)易受外界干擾，因而檢測(cè)信號(hào)幅值較小且存在較大的檢測(cè)噪聲，使得兩種芯片光激勵(lì)信號(hào)信噪比都較小，給后端信號(hào)處理帶來(lái)難度，影響封裝缺陷檢測(cè)的精確度。將線圈中磁芯搭接成環(huán)形后構(gòu)成閉合磁回路，磁感應(yīng)強(qiáng)度B得到有效增強(qiáng)，磁損耗較小，受到空間電磁場(chǎng)的干擾相對(duì)也較小，所以檢測(cè)信號(hào)信噪比得到顯著改善。

　?、懿煌判窘Y(jié)構(gòu)影響諧振回路的工作頻率。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，LC諧振回路的電容C相等，環(huán)形磁芯的有效磁導(dǎo)率大于條形磁芯的有效磁導(dǎo)率，因而環(huán)形磁芯線圈的電感L大于條形磁芯線圈的電感，所以其諧振回路的諧振頻率較小;從圖5可以看出，條形磁芯線圈構(gòu)成的諧振回路的諧振頻率約為9.75kHz，而環(huán)形磁芯線圈構(gòu)成的諧振回路的諧振頻率約為7.33kHz。

　　⑤理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得，該方法對(duì)LED支架回路電流具有較高的檢測(cè)精度，通過(guò)檢測(cè)支架回路電流激起的磁場(chǎng)在線圈兩端感生出電動(dòng)勢(shì)的大小，并與焊接質(zhì)量合格的LED的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)封裝過(guò)程中存在封裝缺陷的LED進(jìn)行檢測(cè)。

　　3結(jié)論

　　針對(duì)引腳式LED芯片封裝過(guò)程中存在的封裝缺陷問(wèn)題，基于p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)，利用電子隧穿效應(yīng)分析了一種封裝缺陷對(duì)LED性能的影響。理論分析表明，當(dāng)LED芯片電極表面存在非金屬膜層時(shí)，流過(guò)LED支架回路的光電流小于光生電流，隨著膜層厚度的增加，回路光電流逐漸減小，其檢測(cè)信號(hào)減小。通過(guò)非接觸法檢測(cè)待測(cè)LED光激勵(lì)信號(hào)并與焊接合格的LED光激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)引腳式封裝LED芯片在壓焊工序中/后的功能狀態(tài)及封裝缺陷的檢測(cè)。分析了影響檢測(cè)精度的因素。用焊接合格與芯片電極表面存在非金屬膜的12mil黃LED樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該方法可以檢測(cè)LED支架回路微安量級(jí)光生電流信號(hào)，并具有較高的信噪比，檢測(cè)結(jié)果能實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接質(zhì)量合格與芯片失效或存在封裝缺陷的LED的區(qū)分，達(dá)到對(duì)LED芯片在壓焊工序中/后的功能狀態(tài)及封裝缺陷檢測(cè)的目的，從而降低LED生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、避免使用存在缺陷的LED造成重大損失。