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陳偉民，李平，文玉梅
光電技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶（400044）
【摘要】：為了在大批量封裝生產(chǎn)線上對LED的封裝質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，利用LED具有與PD類似的光伏效應(yīng)的特點(diǎn)，導(dǎo)出了LED芯片/器件封裝質(zhì)量與光生電流之間的關(guān)系，并根據(jù)LED封裝工藝過程的特點(diǎn)，研制了LED封裝質(zhì)量非接觸檢測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成了芯片、固晶、焊接質(zhì)量影響的模擬實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了方法的可行性，并開發(fā)出了實(shí)際樣機(jī)。
【關(guān)鍵詞】： LED；封裝質(zhì)量；非接觸；在線檢測
基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(60676031)，重慶市科技攻關(guān)重大項(xiàng)目資助(CSTC,2005AA40062B1)
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(shù)瓶頸的突破，我國的LED照明產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了加速發(fā)展階段，應(yīng)用市場迅速增長，這導(dǎo)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(jì)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(jìn)行人工外觀檢查，觀察芯片材料表面是否有機(jī)械損傷及麻點(diǎn)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(dòng)分光分色機(jī)對封裝成品的光、電參數(shù)進(jìn)行檢查，并根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)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(jìn)行分檔，不能提高封裝的成品率。
對于現(xiàn)代化的全自動(dòng)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(dòng)封裝線全面普及的條件下，在封裝生產(chǎn)過程中主動(dòng)地對封裝質(zhì)量進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測，已經(jīng)成了提高封裝水平、保證封裝質(zhì)量的一個(gè)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(jìn)行實(shí)時(shí)的質(zhì)量檢測與控制。
2、LED封裝工藝的特點(diǎn)分析
要在LED封裝工藝過程中對其芯片/封裝質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測，就必須首先了解LED封裝的工藝特點(diǎn)、LED的參數(shù)特點(diǎn)。
2.1 LED封裝的工藝過程
LED封裝的任務(wù)是將外引線連接到LED芯片的電極上，同時(shí)保護(hù)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(yīng)用場合采用相應(yīng)的外形尺寸。而支架式全環(huán)氧包封是目前用量大、產(chǎn)量高的形式，因此也應(yīng)該是LED封裝產(chǎn)品質(zhì)量在線檢測的重點(diǎn)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(jìn)行鏡檢、擴(kuò)片，并在一組連筋的支架排中每個(gè)LED支架的反光碗中心處以及芯片的背電極處點(diǎn)上銀膠（即點(diǎn)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(xué)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(jìn)行高溫固化、退火降溫，固化之后脫模（即固化工藝），后切斷LED支架的連筋(圖1所示)，后進(jìn)行分檢、包裝。
2.2 LED封裝工藝的特點(diǎn)分析
從LED的封裝工藝過程看，在芯片的擴(kuò)片、備膠、點(diǎn)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(cuò)位、內(nèi)電極接觸不良，或者外電極引線虛焊或焊接應(yīng)力，芯片錯(cuò)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(huì)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(yīng)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(huì)對其光、電特性產(chǎn)生影響，因此LED的終質(zhì)量是各個(gè)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(gè)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測、調(diào)整工藝參數(shù)，以將次品、廢品控制在低限度。
由于封裝工藝過程的精細(xì)、復(fù)雜、高速特性，常規(guī)的接觸式測量幾乎難以實(shí)現(xiàn)封裝中的質(zhì)量檢測，非接觸測量是有希望的手段。
3、非接觸檢測的基本原理
3.1 LED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(dāng)給它施加正向工作電壓VD時(shí)，驅(qū)使價(jià)帶中的空穴穿過PN結(jié)進(jìn)入N型區(qū)、同時(shí)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)帶中的電子越過PN結(jié)進(jìn)入P型區(qū)，在結(jié)的附近多余的載流子會(huì)發(fā)生復(fù)合，在復(fù)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(dòng)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(dāng)光束照射到開路的LED芯片上時(shí)，會(huì)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(huì)定向流動(dòng)形成光生電流IL：[4][5]
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(kuò)散長度，β是量子產(chǎn)額（即每吸收一個(gè)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(qiáng)度(即單位時(shí)間內(nèi)單位面積被半導(dǎo)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(guān)），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(guān)），α為半導(dǎo)體PN結(jié)材料本身、摻雜濃度以及激勵(lì)光的波長有關(guān)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(lì)光強(qiáng)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(guān)，而這些參數(shù)正好是決定LED發(fā)光特性的關(guān)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(yàn)其發(fā)光特性，判斷LED芯片質(zhì)量的優(yōu)劣，實(shí)現(xiàn)其封裝質(zhì)量的非接觸檢測。
3.2 LED光伏特性的等效電路
對于支架式封裝的LED而言，在封裝過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。而對于LED封裝質(zhì)量的常規(guī)檢測方法而言，這種工作條件是完全無法開展檢測的。
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并不完全等于流過支架的光生電流IL1。因此支架上流過的電流是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是引線支架上流過的負(fù)載電流，IF是流過理想二極管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與支架上流過的電流IL1的關(guān)系為：
由式（7）可以看出，對于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)量非接觸在線檢測的弱信號檢測技術(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)對芯片質(zhì)量、固晶質(zhì)量、壓焊質(zhì)量進(jìn)行檢測，及時(shí)挑出次品進(jìn)行人工修補(bǔ)，并根據(jù)檢測結(jié)果對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)對封裝的效果進(jìn)行非接觸檢測，指導(dǎo)對環(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，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[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LED激發(fā)使其產(chǎn)生光伏效應(yīng)。而在信號的采集環(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，以實(shí)現(xiàn)非接觸測量。后采用采用式（7）對光電流進(jìn)行計(jì)算處理，對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，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，這些外界電磁場噪聲與干擾遠(yuǎn)遠(yuǎn)比光生電流IL強(qiáng)，因此從強(qiáng)烈的外界電磁場信號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)檢測效果的綜合定性實(shí)驗(yàn)、芯片固晶錯(cuò)位對LED輸出光生電流影響的模擬實(shí)驗(yàn)、引線焊接質(zhì)量對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的對比實(shí)驗(yàn)
圖4是不同芯片LED的對比實(shí)驗(yàn)效果。其中圖4（a）、（b）、（c）分別是三只不同芯片LED在同等條件下的對比實(shí)驗(yàn)，圖4（d）則是沒有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的檢測時(shí)間僅5毫秒，如果按1：1的信號占空比計(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/秒的檢測速度。
4.2.2 LED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)輸出的信號強(qiáng)度，也能反映固晶的質(zhì)量。為此通過調(diào)整照射LED的激光光源強(qiáng)度，來模擬固晶偏差，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，與（7）式完全吻合。
4.2.3 引線焊接質(zhì)量影響的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在圖2所示的等效電路中，Rs2與負(fù)載RL是串聯(lián)的，由于電極的電阻以及電極和結(jié)之間的接觸電阻Rs2很難直接測量，因此實(shí)驗(yàn)中通過串聯(lián)不同的負(fù)載電阻RL來模擬接觸電阻Rs 對檢測結(jié)果造成的影響，其試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，隨著外加負(fù)載RL的增大，流過負(fù)載的電流越來越小。實(shí)驗(yàn)與理論都表明，接觸電阻Rs的微小變化會(huì)使支架上流過的電流IL1產(chǎn)生很大的改變。對于功能完好的LED芯片，通過測量支架上流過的光生電流IL1可以計(jì)算得到LED的串聯(lián)電阻Rs。若串聯(lián)電阻值無窮大，則芯片與電極之間可能出現(xiàn)了銀膠脫膠、漏焊或者焊絲斷裂問題，若串聯(lián)電阻與正常連接狀態(tài)下的串聯(lián)電阻有大的差異，則芯片與電極之間可能出現(xiàn)了其它的焊接問題，如虛焊、重復(fù)焊接等。因此，通過分析支架上流過的光生電流值，可以檢測LED封裝過程中芯片與引線支架之間的電氣連接狀態(tài)。
5、結(jié)論
由于我國 LED封裝產(chǎn)量十分巨大，因此在大批量封裝生產(chǎn)線上對LED的封裝質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測，能夠替代有效改善目前大批量的封裝生產(chǎn)企業(yè)采用的人工肉眼檢查落后現(xiàn)狀、有效降低次品/廢品率。為此，充分利用LED具有與PD類似的光伏效應(yīng)的特點(diǎn)、以及所建立的LED芯片/器件封裝質(zhì)量與光電流之間的關(guān)系，搭建了LED封裝質(zhì)量非接觸檢測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并通過模擬實(shí)驗(yàn)證明了芯片差異、固晶質(zhì)量、焊接質(zhì)量的影響都可以通過檢測儀輸出信號的特征體現(xiàn)出來，而且檢測的離散度小于10-6，檢測速度可達(dá)100只/秒。在此基礎(chǔ)上，還開發(fā)出了圖7所示實(shí)際檢測樣機(jī)[7]，并正在進(jìn)行實(shí)際檢測樣機(jī)與封裝生產(chǎn)線的系統(tǒng)集成，以及LED參數(shù)的進(jìn)一步的量化研究。
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【作者簡介】：陳偉民（1955.12— ）、男、云南、重慶大學(xué)光電工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、工學(xué)博士、主要研究方向電技術(shù)及系統(tǒng)、傳感器與測試技術(shù)。
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