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(多图) LED 芯片封装缺陷检测方法研究

重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室 蔡有海 文玉梅 李平 余大海 伍会娟?? 2010年05月12日 ?? 收藏0

  LED(Light-emitting diode)由于寿命长、能耗低等优点被广泛地应用于指示、显示等领域。可靠性、稳定性及高出光率是LED取代现有照明光源必须考虑的因素。封装工艺是影响LED功能作用的主要因素之一,封装工艺关键工序有装架、压焊、封装。由于封装工艺本身的原因,导致LED封装过程中存在诸多缺陷(如重复焊接、芯片电极氧化等),统计数据显示[1。2]:焊接系统的失效占整个半导体失效模式的比例是25%~30%,在国内[33,由于受到设备和产量的双重限制,多数生产厂家采用人工焊接的方法,焊接系统不合格占不合格总数的40%以上。从使用角度分析,LED封装过程中产生的缺陷,虽然使用初期并不影响其光电性能,但在以后的使用过程中会逐渐暴露出来并导致器件失效。在LED的某些应用领域,如高精密航天器材,其潜在的缺陷比那些立即出现致命性失效的缺陷危害更大。因此,如何在封装过程中实现对LED芯片的检测、阻断存在缺陷的LED进入后序封装工序,从而降低生产成本、提高产品的质量、避免使用存在缺陷的LED造成重大损失就成为LED封装行业急需解决的难题。

  目前,LED产业的检测技术主要集中于封装前晶片级的检测[“]及封装完成后的成品级检测睁7I,而国内针对封装过程中LED的检测技术尚不成熟。本文在LED芯片非接触检测方法的基础上睁9J,在LED引脚式封装过程中,利用p-n结光生伏特效应,分析了封装缺陷对光照射LED芯片在引线支架中产生的回路光电流的影响,采用电磁感应定律测量该回路光电流,实现LED封装过程中芯片质量及封装缺陷的检测。

  1理论分析

  1.1 p-n结的光生伏特效应[m]根据p-n结光生伏特效应,光生电流IL表示为:

光生电流

  式中,A为p-n结面积,q是电子电量,Ln、Lp分别为电子和空穴的扩散长度,J表示以光子数计算的平均光强,α为p-n结材料的吸收系数,β是量子产额,即每吸收一个光子产生的电子一空穴对数。

  在LED引脚式封装过程中,每个LED芯片是被固定在引线支架上的,LED芯片通过压焊金丝(铝丝)与引线支架形成了闭合回路,如图1。若忽略引线支架电阻,LED支架回路光电流等于芯片光生电流IL。可见,当p-n结材料和掺杂浓度一定时,支架回路光电流与光照强度I成正比。

LED引脚式封装

  1.2封装缺陷机理

  LED芯片受到腐蚀因素影响或沾染油污时,在芯片电极表面生成一层非金属膜,产生封装缺陷[11]。电极表面存在非金属膜层的LED芯片压焊工序后,焊接处形成金属一介质-金属结构,也称为隧道结。当一定强度的光照射在LED芯片上,若LED芯片失效,支架回路无光电流流过若非金属膜层足够厚,只有极少数电子可以隧穿膜层势垒,LED支架回路也无光电流流过;若非金属膜层较薄,由于LED芯片光生电流在隧道结两侧形成电场,电子主要以场致发射的方式隧穿膜层,流过单位面积膜层的电流可表示为[12]。

流过单位面积膜层的电流

  其中q为电子电量,m为电子质量,矗为普朗克常数,vx、vy、vz分别是电子在x、y、z方向的隧穿速度,T(x)为电子的隧穿概率。又任意势垒的电子隧穿概率可表示为[13]

任意势垒的电子隧穿概率

  其中jin、jout。分别是进入膜层和穿过膜层的电流密度,,x指向为芯片电极表面到压焊点,为膜层中z方向任意点的势垒,E是垂直芯片电极表面速度为vx电子的能量。

任意点的势垒

  图2为在电场f’作用‘F芯片电极表面的势垒图,其中EF为费米能级,U'为电子发射势垒。由图2

电子发射势垒

势垒图

若芯片电极表面为突变结,其值为U0,光生电流在隧道结两侧形成的电场强度为F,电极表面以外的势垒为U0- qFx。取芯片电极导带底为参考能级E0(x=0),因而有x<0处,U(x)=0;x>0处,U(x)=U0- qFx,根据条件U(x)=E=U0- qFx2

  式中d为膜层厚度,V为膜层隧道结两侧电压。当LED芯片发生光生伏特效应时,由式(7)可知,流过芯片电极表面非金属膜层的电流受到膜层厚度的影响,随着膜层增厚,流过膜层的电流减小,流过LED支架回路的光电流也将减小。

   综上所述,引脚式LED支架回路光电流的有无或大小可以反映封装工艺中LED芯片的功能状态及芯片电极与引线支架的电气连接情况,因此,可以通过检测LED支架回路光电流达到检测引脚式封装工艺中芯片功能状态和封装缺陷。


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LED芯片? 封装缺陷? 电子隧穿效应? 引脚式?

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